thumb|200px|Imán El imán es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo, de forma que atrae a otros imanes o metales ferromagnéticos (por ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones de estos). Puede ser natural o artificial y también los materiales pueden ser paramagnéticos, que son atraídos débilmente, como el magnesio, el platino, el aluminio, entre otros, o diamagnéticos, los que no se atraen, como el grafito de carbono, oro, plata, plomo y bismuto.
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.
El campo magnético no es visible pero es el responsable que los imanes atraigan o repelan varios materiales, aquellos que son fuertemente atraídos por un imán tienen una gran permeabilidad magnética, como en el caso del hierro y algunos tipos de acero, y reciben la denominación de materiales ferromagnéticos. Los materiales con una baja permeabilidad magnética sólo son atraídos débilmente por los imanes y reciben el nombre de paramagnéticos, un ejemplo sería el oxígeno líquido. Finalmente hay algunos materiales, como el agua, que tienen una permeabilidad magnética tan baja que el magnetismo sólo se manifiesta en presencia de un campo magnético externo (diamagnetismo). Todo tiene una permeabilidad magnética medible.
Los imanes pueden ser permanentes, si una vez magnetizados conservan de manera persistente las propiedades magnéticas, o temporales, si sólo conservan las propiedades magnéticas mientras están bajo la influencia de un campo magnético, desapareciendo cuando el campo desaparece. Un electroimán sería un tipo de imán temporal hecho con un bobinado de hilo eléctrico por el que pasa una corriente eléctrica, y sólo se comporta como un imán mientras pasa la corriente; a veces el bobinado se hace alrededor de un material ferromagnético para mejorar el campo magnético que se produce.
La unidad de medida del SI para el campo magnético es el tesla, mientras que la unidad para el flujo magnético es el weber; 1 tesla es 1 weber por metro cuadrado.
Etimología
Del griego, adamas, adamantos (diamante, acero) de «a» (privativa, prefijo de contrariedad o de negación) y damao (quemar). Fig. piedra dura que no se puede o no se debiera quemar, calentar, pues los griegos debieron conocer que el calor destruye el magnetismo.
El cronista Gonzalo Fernández de Oviedo relata su uso y diversos nombres en el :
En fr. francés aimant.
Historia Las descripciones más antiguas que conocemos de las propiedades de los imanes proceden del antiguo Egipto y de las antiguas Grecia, India y China.Li Shu-hua, “Origine de la Boussole 11. Aimant et Boubssole,” Isis, Vol. 45, No. 2. (Jul., 1954), p.175 En 585 a. C. Tales de Mileto describía que la magnetita atraía el hierro pero pensaba que la causa era que tenía alma (en aquella época un movimiento implicaba vida, alma o la intervención de un dios). Un intento de explicación sin intervención de dioses o el alma lo podemos encontrar en la obra De rerum natura de Lucrecio (98 . C.- 54 a. C.). Pero no será hasta el 1600 con la publicación de De Magnete de William Gilbert que empieza la ciencia del magnetismo en Europa. En China, la primera mención conocida de los imanes y sus propiedades es del , y las primeras descripciones de la utilización de brújulas son de principios del . El uso de estos aparatos sería común por todas partes en los siglos y .
Origen físico del magnetismo Imanes permanentes Cualquier objeto común está compuesto de partículas como los protones, los neutrones y los electrones, cada una de las cuales cuenta entre sus propiedades cuánticas con el espín, que asocia un campo magnético a estas partículas. Desde este punto de vista, sería de esperar que cualquier material, siendo formado por un número inmenso de partículas, tuviera propiedades magnéticas (incluso las partículas de antimateria tienen propiedades magnéticas), pero la experiencia diaria, contradice esta posibilidad.
Dentro de cada átomo o molécula, la disposición de cada espín sigue estrictamente el principio de exclusión de Pauli, pero a cualquier sustancia diamagnética no hay una ordenación del espín que afecte un gran número de partículas, por eso no hay un campo magnético, el momento magnético de una partícula se cancela con el de otra.
En cambio, en imanes permanentes, sí que encontramos un grado de ordenación importante del espín de sus partículas. El nivel de ordenación más elevado se presenta a los llamados dominios de Weiss o dominios magnéticos: que pueden ser considerados como regiones microscópicas donde hay una fuerte interacción entre las partículas, llamadas interacciones de intercambio, que genera una situación muy ordenada, cuanto más gordo sea el grado de orden del dominio, más fuerte será el campo magnético que se generará.
Una ordenación elevada (y por lo tanto, un campo magnético fuerte) es una de las principales características de los materiales ferromagnéticos.
Una estrategia que se puede utilizar para generar un campo magnético muy intenso consiste en orientar todos los dominios de Weiss de un material ferromagnético con un campo menos intenso, generado por una bobina de material conductor por la cual pasa una corriente eléctrica: un electroimán.
Magnetismo generado por los electrones Los electrones tienen un papel importante en la formación del campo magnético, en un átomo los electrones se pueden encontrar sólos o en parejas dentro de cada orbital. Si están en parejas, cada electrón tiene un espín opuesto al del otro (espín up y espín down), desde el momento que los espines tienen direcciones opuestas se anulan entre sí, por lo tanto una pareja de electrones no puede generar un campo magnético.
En muchos átomos, el número de electrones es impar, todos los materiales magnéticos tienen electrones de este tipo, pero no se puede decir que un átomo con electrones desapareados será ferromagnético. Para poder ser ferromagnético, los electrones no emparejados del material también tienen que interaccionar entre sí a gran escala, de forma que todos ellos tienen que estar orientados en la misma dirección. La configuración electrónica específica de los átomos, así como la distancia entre cada átomo, es el principal factor que impulsa este orden de largo alcance, que afecta a muchas partículas. Si los electrones tienen la misma orientación se encontrarán en un estado de menor energía.
Electroimanes miniatura|Demostración del funcionamiento de un electroimán en la feria de Leipzig en 1954. Un electroimán en su forma más simple, es el de un hilo conductor que ha sido enrollado una o más veces, esta configuración se denomina espira (una vuelta) o solenoide. Cuando la corriente eléctrica pasa a través del hilo conductor del bobinado se genera un campo magnético que se presenta concentrado cerca del arrollamiento (especialmente a su interior). Sus líneas de campo son muy similares a las de un imán y su orientación sigue la regla de la mano derecha. El momento y el campo magnéticos del electroimán son proporcionales al número de vueltas del hilo (también llamadas espiras), en la sección de cada espira y en la densidad de la corriente que pasa por el hilo.
Si las espiras de hilo conductor se hacen alrededor de un material sin propiedades magnéticas especiales, o al aire, el campo magnético que se generará será fuerza débil; pero si el hilo se enrolla alrededor de un material ferromagnético y paramagnético, como podría ser un clavo de hierro, el campo magnético producido será mucho más grande, su fuerza será de unos centenares de veces superior y puede llegar a multiplicarla por 1000.
El campo magnético que se observa alrededor de un imán se extiende hasta una distancia considerable en comparación al tamaño del imán, y sigue la ley de la inversa del cubo: la intensidad del campo es inversamente proporcional al cubo de la distancia.
Si el electroimán se basa en una placa metálica, la fuerza necesaria para separar los dos objetos será todavía más grande, puesto que las dos superficies serán planas y lisas, en este caso habrá más puntos de contacto y la reluctancia del circuito magnético será menor.
Los electroimanes tienen aplicaciones en varias campos, desde los aceleradores de partículas hasta los motores eléctricos pasando por las grúas de los desguaces de vehículos o las máquinas que producen imágenes por resonancia magnética. También hay máquinas más complejas en las cuales no se utilizan los dipolos magnéticos simples, sino que implican cuatro (cuadripoles) o más polos magnéticos; un ejemplo sería el espectrómetro de masa donde se encargan de concentrar los fajos de partículas.
Recientemente ha sido posible producir campos magnéticos de varios millones de teslas utilizando solenoides micrométricos a través de los cuales se hizo pasar una corriente de millones de amperios utilizando una descarga de impulsos producida con una batería de condensadores. La intensa fuerza de la descarga llevaba el sistema a la implosión, destruyendo el experimento en unos pocos milisegundos.
Descubrimiento Fue Ørsted quien por primera vez evidenció en 1820 que una corriente eléctrica genera un campo magnético en su entorno. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debido al movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada uno de ellos origina un imán microscópico. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas las direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean actúan como un único imán en este caso la sustancia se ha magnetizado.
El primer científico que construyó un electroimán fue el físico y político francés François Arago.Electricity and magnetism: a historical perspective. Brian Baigrie. Greenwod Press. Westport, Connecticut. London. Página 68.
Características de los imanes Campo magnético El campo magnético (habitualmente representado como B) es lo que en física se denomina un campo porque tiene un valor en cada punto del espacio. El campo magnético (a cualquier punto dado) vendrá determinado por dos propiedades: su dirección (que sigue la orientación de la aguja de una brújula) su magnitud (o fuerza) que es proporcional a la fuerza con que la aguja de la brújula se orienta en la dirección del campo.
La dirección y la magnitud son las características de un vector y por lo tanto B es un campo vectorial. B también puede depender del tiempo.
Momento magnético El momento magnético de un imán, también llamado momento dipolar magnético, y que es simbolizado con la letra μ, es un vector que caracteriza las propiedades magnéticas de cualquier cuerpo. Por ejemplo, en una barra magnética la dirección del momento magnético apunta del polo norte al polo sur y su magnitud depende de la fuerza de los polos y de su distancia. En unidades del SI se expresa en A·m².
Un imán produce su campo magnético y al mismo tiempo responde a otros campos magnéticos, su campo magnético a cualquier punto es proporcional al valor de su momento magnético. Cuando el imán está dentro de un campo magnético producido por otra fuente es sometido a un par de fuerzas que tenderá a orientar el momento magnético de manera paralela al campo. El valor de este par de fuerzas será proporcional al momento magnético y al campo externo.
Una espira con una sección de área A que es atravesada por una corriente I se comportará como un imán con un momento magnético que tendrá un valor igual a IA.
Magnetización