¿Qué es un imán?

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. 

¿Por qué si toco la antena capto mejor la señal y se escucha mejor?

¿Por qué si toco la antena capto mejor la señal?

Esta es una pregunta que todos nos hemos hecho alguna vez. Tocamos una antena y de repente la televisión se ve mejor o la radio deja de tener ese molesto ruido de fondo.

Para entender este superpoder que nos confiere la física debemos entender primero que son las señales que recibimos y como funciona el mecanismo para recibir dichas señales.

La señal de televisión o de radio que nosotros captamos son ondas electromagnéticas (como los rayos X de las radiografías) pero con muchísima menos energía. Estas ondas se transmiten a través de la atmósfera a la velocidad de la luz en el aire y son lo que nosotros intentaremos captar. Una propiedad de las ondas electromagnéticas es que si se encuentran una partícula cargada en su camino pueden ejercer una fuerza sobre ella.

Por otro lado, una antena no es más que un filamento/estructura metálica. Su composición metálica hace que sean buenas conductoras de la electricidad y por lo tanto que tengan muchos electrones libres. Cuando una onda electromagnética pase por la antena hará una fuerza sobre esos electrones y aparecerá una corriente eléctrica en la estructura (recordemos que la electricidad no es más que un flujo de electrones) y el aparato la detectará. Interpretando como varia este voltaje con el tiempo nuestro aparato traducirá esa información a ondas sonoras/imágenes que nosotros podremos recibir.

Es necesario decir que las antenas ya se diseñan para recibir ciertas ondas electromagnética sen función de lo que llamamos longitud de onda, que no es más que la distancia entre dos puntos iguales de la onda consecutivos, como se observa en la siguiente imagen:

Si no hubiese este sesgo de longitudes de onda y nuestras antenas captaran todas las ondas electromagnéticas del ambiente sería imposible obtener una imagen coherente. Toca tener en cuenta que incluso la corriente de casa induce un campo electromagnético, así que todas esas influencias las hemos de desechar.

Y una vez expuesto todo esto, ¿a que viene que si toco la antena mejora la señal?

Nuestro cuerpo, aunque en menor medida que una antena, también es conductor. Así, aunque gran parte de la señal no tiene efecto sobre nuestros electrones sí que les produce un pequeño vaivén. Al tocar la antena aportamos un poco de corriente extra provocada por la misma onda que ya está recibiendo, las señales se suman y el aparato recibe más claramente la información.

Parece magia, ¡pero no! Espero que haya quedado clara un poco lo que sería la base de este hecho tan cotidiano.

También pasa que a veces solo con acercarnos a la antena la señal mejora. La explicación a este otro fenómeno es más compleja, pero si resumiéramos su base en un párrafo diría lo siguiente:

Nuestro cuerpo tiene las dimensiones adecuadas para que la onda se vea afectada por nuestra presencia. Entonces, al actuar de obstáculo crearemos interferencias (por la difracción de la onda) y a la vez actuaremos de emisor. En función de nuestra posición y como interferimos con las señales que llegan a la radio el resultado puede variar abarcando desde una mejora sustancial de la señal (reforzamos la señal) hasta volverla peor (destruimos o distorsionamos la señal).

Como curiosidad final, ¿habéis visto la nieve que sale cuando tu televisor no está bien conectado o no recibe bien la señal? Pues parte de ese ruido es lo que queda de la radiación electromagnética originada por el Big Bang. Esto significa que has visto por televisión en vivo y en directo una prueba de la existencia de esa expansión inicial del universo. Espectacular, ¿no?

Superenfriamiento y supercalentamiento del agua

Todo empieza así: Dejamos una muestra de agua pura (o lo más pura que podamos) en el congelador. Ésta empieza a enfriarse más y más para  equilibrar su temperatura con la del electrodoméstico, que puede rondar desde unos 269 K a unos 247 K. Tras un par de horas, recuperamos la botella y vemos que no está congelada aún estar presumiblemente por debajo de los 273 K (0ºC). Entonces, pero, por cualquier motivo perturbamos súbitamente la muestra y observamos, fascinados, que sucede lo siguiente:

¿Que ha pasado? Bien, la respuesta es simple, hemos superenfriado (subfusionado) el agua. La explicación sigue así:

En el gráfico estamos viendo una representación de cómo se comportan la temperatura (eje vertical) i la presión (eje horizontal) cuando hablamos del agua. En nuestra vida cuotidiana solemos observar solo tres de las fases que se muestran: Los dos enfriamientos y la solidificación. El superenfriamiento es, entonces, algo raro. Y no es de extrañar, pues se trata de un estado metaestable (el cómo se determina que es inestable ya se aparta del objetivo de éste post).

Como estado metaestable, para poder ser observado requiere de ciertas condiciones, en nuestro caso la estabilidad mecánica y la no presencia de impurezas que puedan desencadenar la solidificación a su ardedor. Podemos observar fácilmente que si utilizamos agua con una buena pureza (y mejor aún si es destilada) y la ponemos en un congelador convencional, ambas condiciones se cumplen.

Para entender qué ocurre debemos tener en cuenta antes un aspecto importante: la nucleación.

Por nucleación se entiende el hecho de que se empiece a dar el cambio de estado (en nuestro caso la solidificación) en una región muy pequeña del líquido. Así, se forman unos pequeños núcleos de hielo alrededor de los que se irá solidificando.

Tenemos dos tipos de nucleación: La homogénea y la heterogénea. La primera se refiere simplemente a regiones pequeñas de una sustancia homogénea que espontáneamente empiezan a cambiar de fase. La segunda se refiere al hecho de que pequeñas impurezas actúen como núcleos de cambio de fase. Para el agua, la heterogénea sería la que provocaría la congelación a 273 K (0ºC) y la homogénea sería la cota inferior de temperatura a la que se podría llegar superenfriando sin que solidificase.

Ahora es fácil entender por qué motivo queremos que el agua tenga un mínimo de impurezas. Si no aparece la nucleación heterogénea nos encontraremos que podemos llegar, a presión atmosférica, hasta ni más ni menos que a unos 231 K (-42ºC).

La pregunta ahora es: ¿por qué, al perturbar el sistema, se congela? Bien, definamos primero la perturbación. En el video, observamos que se da un golpe a la botella, pero también podríamos haber abierto el tapón y tirar dentro, por ejemplo, un trozo de hielo.

Si nos centramos en ésta última perturbación, se entiende rápidamente que estamos introduciendo directamente un enorme núcleo que provocara la congelación en cadena de las demás moléculas adyacentes a él. Obviamente, también estaremos interactuando mecánicamente con el fluido.

¿Y en el caso del golpe? Bien, hemos comentado que retrata de un estado metaestable. Los estados metaestables tienen una característica especial (a la cual deben el nombre) y es que al ser perturbados decaen automáticamente a un estado completamente estable. En nuestro caso, el hielo.

Como ejemplo de superenfriamiento y una forma divertida para aplicarlo, por ejemplo, podemos hacer una pequeña broma a los colegas:

Pero no todos los ejemplos son de éste tipo. El superenfriamiento lo encontramos en un tipo de lluvia muy y muy peligrosa, la lluvia engelante:

Sus gotas son de agua superenfriada, y cuando golpean el suelo se congelan instantáneamente. No es difícil adivinar qué efecto puede tener si le sumamos una calzada y vehículos a una buena velocidad.

Por el contrario, también es posible supercalentar el agua. El proceso es análogo al de superenfriar y la diferencia la encontramos en que, al perturbar el líquido, éste hierve de forma violenta. Aunque es difícil de observar, puede perfectamente darse en un vaso de agua que pongamos en el microondas a calentar. Si el recipiente no está muy rallado (y por lo tanto no aloja bolsas de aire que hacen de puntos de nucleación) y las perturbaciones del microondas no son muy grandes (hoy en día los platos giratorios son suficientes en la mayoría de los casos para evitar este efecto), podemos llegar a supercalentar el agua. Si luego lo perturbamos, sea con una cuchara, café soluble o cualquier cosa, puede hervir de repente y producirnos alguna lesión.

Una forma de evitar que esto pase, es poniendo la cucharita en el vaso cuando lo metamos en el microondas. Si bien una cuchara de metal haría este papel perfectamente (y se puede meter en el microondas sin ningún riesgo, ya dedicaré alguna entrada al tema), también se calentaría mucho. Lo mejor, en estos casos, es poner una cuchara de madera o similar. Para terminar, os dejo con un video de un supercalentamiento: