Los imanes, esos gran desconocidos. Todo el mundo ha utilizado alguno, aunque sea para decorar la nevera, pero casi nadie sabe como funcionan. Veamos, brevemente, cómo se resuelve este misterio tan cotidiano. Primero lo primero:
¿Qué es un imán?
Un imán es un material u objeto que genera un campo magnético a su alrededor. Este campo, que será responsable de las propiedades que conocemos de los imanes, puede entender-se a través de la representación de las líneas de campo:
Estas líneas van de un polo a otro del imán y se dibujan de manera que el campo sea tangente a su dirección en cada uno de sus puntos de manera que las líneas con sus flechas indican la geometría (la dirección) del campo magnético alrededor del imán (tal y como lo vería una carga positiva, para una carga negativa las flechas serian al revés). A la vez, la separación entre las líneas de campo indica la intensidad del campo en cada región: más líneas, más intensidad del campo.
Así pues, un imán es un material que genera un campo a su alrededor que sigue la dirección de las líneas de campo y que tiene intensidades variables en sus alrededores.
Ahora surge una cuestión interesante, por qué motivo se genera este campo? La respuesta general es muy simple: los átomos que componen el imán tienen todos ellos un campo magnético propio, y dentro del imán se encuentran colocados de tal modo que esos campos se refuerzan los unos a los otros hasta alcanzar la intensidad del campo que tendrá el imán.
Este campo intrínseco de los átomos es consecuencia directa de su estructura electrónica. Sabemos que un átomo está compuesto de un núcleo cargado positivamente y una corteza de electrones (negativos) organizados en niveles energéticos. Los electrones, al ser fermiones con spin 1/2 (próximamente haré una entrada explicando los tipos de partículas y lo linkearé aquí) no pueden cohexistir en un mismo estado debido a un principio cuántico llamado Principio de Exclusión de Pauli. En cada nivel energético encontramos dos electrones, un con spin hacia arriba y otro con spin hacia abajo. Cada uno contribuye con un momento magnético pero al estar en direcciones opuestas se cancelan. Si un átomo, en cambio, tiene muchos electrones desapareados (solos y en diferentes niveles) y todos con el spin en la misma dirección, ese átomo tendrá un momento magnético neto.
El hierro, por ejemplo, (véase imagen que precede estas líneas) tiene cuatro electrones desapareados que hacen que sus átomos tengan un momento magnético neto. De este modo, si se junta una cantidad suficiente de átomos de hierro y estos tienen su campo magnético en la misma dirección, el objeto resultante presentará un campo magnético suficiente como para ser considerado un imán.
Aquí surge la pregunta del millón: si esto es así, por qué motivo no todos los objetos de hierro (o de algún otro metal con electrones desapareados) son imanes?
La respuesta se encuentra en la estructura de los compuestos metálicos. En la imagen siguiente veremos qué diferencia un imán de hierro de un trozo de hierro cualquiera.
En los dos primeros cuadros de la imagen se observa la estructura interna de un metal no-imán. Pequeños volúmenes del metal (pequeños granos dentro de esta estructura granular) tienen todos los spins en una dirección u en otra, aleatoriamente. Esto hace que cada pequeño volumen tenga su campo magnético pero que el metal en conjunto tenga campo magnético prácticamente cero porque los campos de sus pequeñas zonas se compensan.
En cambio, el tercer cuadro muestra un objeto sin gránulos con spins diferentes. Esta es la estructura interna (ideal) de un imán. Se puede conseguir aplicando un campo magnético adecuado a una muestra de material con electrones desapareados. Si esto se hace, se puede forzar los spins aleatorios a alinearse en una misma dirección, y por lo tanto el material pasa a ser un imán porqué genera un campo magnético neto. En resumen, si se consiguen alinear los spins de una muestra, esta passa a ser un imán. La potencia de este iman dependerá de la proporción de spins que se consigan alinear, siendo el imán más potente cuantos más spins se consigan alinear.
Esto és lo que passa cuando se friega una aguja de hierro con un imán: queda imantada. Hemos alineado los spins en la dirección del campo magnético del imán.
Para acabar, y en resumen:
Un imán es un objeto de metálico hecho de algún metal con electrones desapareados cuyos gránulos internos de spines aleatoriamente dirigidos han sido alineados y por lo tanto generan un campo magnético neto.
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