Imán

As dúas lendas que tradicionalmente se relacionan co descubrimento dos imáns^[3]:

• A do pastor Magnus, que coidando do seu rabaño polo monte, notou que o seu caxato, que tiña punta de ferro, era atraído con gran forza por unha pedra negra, ata o punto de quedar de pé sobre ela e de non poder separalo dela. Noutras versións, o pastor queda pegado á pedra misteriosa por causa dos remaches de ferro do seu calzado.
• A do barco cargado con armas que acabou esnaquizado contra uns cantís que o atraían sen que velas ou remos puideran evitalo.

 

A pedra de imán natural é a magnetita. Debe o seu nome á rexión grega de Magnesia, en Tesalia, onde se cre que foi descuberta por primeira vez. Segundo escritos posteriores, o primeiro en describir as súas propiedades foi o prescrático Tales de Mileto. Así , segundo Aristóteles:

Parece que tamén Tales, segundo comentan, supuxo que a alma era algo que move, si en verdade dixo que a pedra (magnética) ten alma porque move o ferro. (Da alma, I 2, 405)

Platón no seu diálogo Ión di que a magnetita non só atrae aneis de ferro, tamén lles imparte un poder similar para atraer a outros aneis. Deste xeito fórmanse cadeas de aneis colgados uns dos outros. Estes eran chamados os aneis de Samotracia, illa grega onde os mineiros descubriran este fenómeno que hoxe chamamos magnetización por indución^[4].

Pero, parece que foi Empédocles o primeiro en tratar de atopar unha explicación ao fenómeno. Para el, o ferro é "empurrado" cara ao imán porque produce emanacións e porque o imán é unha substancia porosa, de xeito que o tamaño dos poros do imán corresponde ao das emanacións do ferro, así este á arrastado tras das emanacións e atraído. Unha explicación moi semellante á dada por Lucrecio na súa obra De rerum natura^[5].

O primeiro estudo con carácter científico da magnetita realizouno Pierre Pelerin de Malicourt (século XIII). Foi o primeiro en definir os polos magnéticos e as leis da atracción e da repulsión.

En 1600, William Gilbert, na súa obra De magnete describiu as propiedades dos imáns e foi o primeiro en considerar a Terra como un xigantesco imán para poder explicar así o funcionamento do compás^[3].

• Coercitividade (HCI ou IHC): resistencia dun material magnético á desimantación. Mídese en Oersteds ou en Amperios por metro A/m. Dun xeito sinxelo, canto meirande sexa este número, tanto mellor manterá un imán a súa magnetización cando sexa exposto a un campo magnético oposto^[7].
• Remanencia (BR): indución magnética que queda no material magnético despois de ser imantado a saturación e preparado para o seu uso final. Mídese en Tesla (T) ou en Gauss (G). A maior valor, máis forte é o imán^[8].
• Sinterización: tratamento térmico a temperaturas elevadas, polo que as pezas prensadas diminúen o seu volume e se homoxeneízan. Os imáns de ferrita, necesitan de 1.200 °C a 1.250 °C, e os lantánidos de 1.050 °C a 1.200 °C
• Temperatura de Curie (TC): temperatura por enriba da que os materiais magnéticos perden todas as súas propiedades magnéticas permanentes. Depende normalmente da composición química do material magnético.
• Temperatura máxima de traballo: temperatura máxima de exposición que un imán pode resistir sen que se produzan cambios estruturais ou inestabilidades nas súas propiedades.
• Oersted: unidade de forza de campo magnético, H, no sistema electromagnético GSM. 1 Oersted (Oe) = 0.8A/cm.
• Tesla ou Gauss: unidades de medida da indución. 1 Tesla = 10.000 Gauss.

 

Na natureza só atopamos un tipo de imán, a magnetita, unha variedade de óxido de ferro. Nunca perde a súa capacidade magnética. Pode ser utilizada para crear imáns temporais. Presenta unha división natural en dous polos ou metades (positiva e negativa), tal que se o dividimos en varias partes, cada unha delas será ás súa vez un novo imán. Os polos de mesmo signo exercen unha forza de repulsión entre eles, os polos de distinto signo atráense. Ambos polos exercen unha forza de atracción sobre o ferro non imantado.

Os imáns manufacturados, fabricados polo ser humano, poden ser permanentes ou electroimáns. Os primeiros están feitos de materiais que, unha vez imantados, e dentro duns determinados parámetros, manteñen a súa magneticidade. Os segundos, están feitos de material non magnetizado, pero que se converte en imán polo paso dunha corrente eléctrica.

 

Poden estar feitos de distintos tipos de materiais^[6]:

• De álnico: compostos de aliaxe de aluminio, níquel e cobalto, están fabricados por fundición ou sinterización. Posúen o mellor comportamento a temperaturas elevadas. Teñen unha elevada remanencia, pero a súa coercitividade é bastante baixa.
• De ferrita: tamén coñecidos como imáns cerámicos, están fabricados dun composto de oxido de ferro e carbonato de bario/estro. Son máis fortes que os de álnico pero máis febles que os de neodimio e samario. Fabrícanse mediante prensado en molde e posterior sinterización^[9]. Son os máis utilizados pola súa relación calidade/prezo. Existen moitas calidades diferentes en función da súa aplicación. Presentan unha boa resistencia á desimantación.
• De neodimio: compostos por neodimio, ferro e boro (Nd.Fe.B). Son os imáns coas mellores características magnéticas existentes actualmente, é dicir, os máis potentes.
• De samario-cobalto: fabricados a partir de elementos da familia dos lantánidos. A súa potencia magnética permite reducir as súas medidas. O seu produto de enerxía é elevado. Ten un comportamento moi bo a temperaturas elevadas.

Un electroimán é un imán artificial que consta dun núcleo de ferro puro, e rodeado por unha bobina de cable pola que pasa unha corrente eléctrica^[10]. A súa grande vantaxe reside en que permite activar e desactivar a vontade o efecto magnético. O seu inconveniente é que depende sempre dunha fonte de enerxía eléctrica para funcionar.

O imán é, en boa medida, unha tecnoloxía oculta. Está presente en case toda a tecnoloxía que usamos, pero apenas os percibimos, posto que na meirande parte dos seus usos os atopamos formando parte doutras máquinas ou dispositivos máis complexos.

O seu principal uso é o almacenamento de información, aínda que a chegada de novas tecnoloxías o está deixando obsoleto. Trátase de materiais facilmente magnetizables, orientando as súas moléculas segundo un código determinado pode almacenarse e, posteriormente, co lector axeitado, recuperarse información. Por exemplo:

• Cintas magnetofónicas, en todas as súas formas.
• Cintas de vídeo.
• Tarxeta de banda magnética, caso das bancarias ou das sanitarias. Aínda que este sistema de almacenamento vai sendo substituído polas chamadas tarxetas intelixentes, con sistemas máis seguros.
• Disco ríxido, compoñente básico de calquera computador.

 

• O primeiro e máis importante uso: compás, clave na historia da navegación marítima e os descubrimentos.
• Imaxe e son: altofalantes.
• Motores eléctricos: o estator dos motores de indución é un imán, ou grupo deles, permanente.
• Fogar:
  • Peche: porta das neveiras, pequenas portas, bixutería...
  • Xoguetes.
  • Artigos de decoración.
• Pseudociencias: uso na chamada magnetoterapia^[11] (soletas, pulseiras, apósitos...) a pesar de que se ten demostrado que a súa efectividade non pasa dun simple placebo^[12]. Así o resume unha empresa adicada a este eido^[13]:

¿Venden ustedes también imanes curativos? No. Los imanes que se venden en otras partes como «imanes curativos» a precios desorbitados son casi siempre los mismos imanes que nuestros imanes de neodimio, solo que muchísimo más caros.

 

A posibilidade de poder activar ou desactivar a vontade o magnetismo dun obxecto ten amplas aplicacións:

• Industria: mover cargas que teñan suficiente metal como para ser atraídas magneticamente.
• Timbre eléctrico: o paso de corrente activa un mecanismo, a xeito de badal, que percute na campaíña do timbre.
• Pechaduras automáticas: ao accionar o mecanismo, un electroimán atrae magneticamente a peza metálica que fai de peche. Caso de porteiros automáticos, portas de ascensores etc.
• Transporte
  • Freo eléctrico, utilizado en vehículos pesados^[14] para controlar a velocidade sen sobrecargar os freos convencionais, permite regular a cantidade de electricidade que se uso e, polo tanto, a potencia magnética e de freado.
  • Tren de levitación magnética: aínda en fase experimental. "A tecnoloxía deste tren está baseada na enerxía magnética que crean os grandes imáns colocados por todo o percorrido do tren"^[15].
• Medicina: resonancia magnética nuclear, unha técnica de diagnóstico por imaxe, especialmente útil para estudar o tecido brando do organismo.
• Investigación e alta tecnoloxía:
  • Aceleradores de partículas, caso do LHC do CERN, os electroimáns úsanse para acelerar as partículas obxecto de estudo ata que estas adquiran a enerxía necesaria^[16]:

Antes que cheguen ao LHC, as partículas son aceleradas nunha serie de aceleradores lineais e circulares interconectados: cando atinxen a velocidade máxima que unha parte da cadea de acelerador pode conseguir, son disparados cara ao próximo. Sen outra forza, a deriva das partículas a levaría en liña recta. Se necesitan máis de 50 tipos de imáns para envialos ao longo de rutas complexas sen que perdan a súa velocidade. Todos os imáns no LHC son electroimáns. Os principais dipolos poden xerar poderosos campos magnéticos de 8,4 Tesla -máis de 100.000 veces máis potente que o campo magnético da Terra. Os electroimáns usan unha corrente eléctrica de 11.850 amperios para producir este campo magnético, e unha bobina supercondutora permite que as altas correntes flúan a sen perder enerxía por causa da resistencia eléctrica.

• • Confinamento magnético nun reactor de fusión nuclear: os electroimáns permiten conter os átomos de hidróxeno en estado de plasma que se van fusionar. O proxecto máis destacado neste eido, e que aínda está en construción, é o ITER International Tokamak Experimental Reactor, un proxecto internacional no que participan a China, os Estados Unidos, Rusia, Corea do Sur, a India, o Xapón e a Unión Europea. Así explican as características dos electroimáns do reactor^[17]:

O sistema magnético do ITER vai ser o meirande sistema magnético superconductor nunca construído. Dez mil toneladas de imáns, cunha capacidade combinada de almacenamento de enerxía magnética de 51 Gigajoules, producirán os campos magnéticos que iniciarán, confinarán, manterán e controlarán o plasma do ITER. Fabricados en niobio-estaño (Nb3Sn) ou niobio-titanio (Nb-Ti), os imáns convértense en supercondutores cando son arrefriados con helio ata a temperatura de 4º Kelvin (-269 °C).

 

• • Canón de raíl^[18]: Unha nova arma que está nas fases finais de probas. O proxectil é impulsado por electroimáns que o van acelerando conforme se despraza polo canón. Pode acadar unha velocidade de saída sete veces superior á do son. Esta velocidade, aínda nun proxectil de masa relativamente pequena, proporciona unha enorme enerxía e, polo tanto, unha gran capacidade destrutiva, ademais pode alcanzar obxectivos situados a máis de 170 quilómetros de distancia.
  • No Salón do Automóbil de Xenebra de 2016, a compañía Goodyear, presentou un pneumático experimental, o Eagle-360, pensados para os futuros coches autónomos^[19]. Estes pneumáticos son esféricos e non teñen eixo nin ningún punto de contacto co coche. Conéctanse mediante electroimáns, de xeito que o coche levita sobre as catro esferas que fan de rodas:

Para conectarse co corpo do coche, o pneumático experimental Goodyear Eagle-360, utiliza a levitación magnética. O pneumático colga do coche mediante campos magnéticos, similares aos dos trens de levitación magnética, o que incrementa o confort dos pasaxeiros e reduce o ruído.

Wikimedia Commons ten máis contidos multimedia na categoría:  Imán

• Magnetita
• Tren de levitación magnética

• ASPECTOS HISTÓRICOS: ORÍGENES Y DESARROLLO DE LA TEORÍA DEL MAGNETISMO (en castelán)
• Páxina web do CERN (en inglés)
• Páxina do ITER (en inglés)
• Páxina do Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial onde se describe como facer un electroimán caseiro (en castelán)