¿Cómo afecta la temperatura a los imanes?

Imanesgeneran campos de fuerza invisibles que atraen metales, incluidos el hierro, el níquel y el cobalto. El calor afecta el funcionamiento de los imanes. Cuando hace más calor, los imanes se debilitan. A temperaturas muy altas, dejan de ser magnéticos. Comprender la influencia de la temperatura es importante.

Saber cómo el calor afecta a los imanes nos permite diseñar dispositivos y sistemas que funcionen de manera confiable en varias temperaturas de funcionamiento.

Este artículo prProporcionar una visión general del magnetismo y explicar cómo la temperatura influye en los imanes permanentes y los electroimanes. También discutiremos la temperatura de Curie y las aplicaciones donde los efectos de la temperatura en los imanes son un factor de diseño esencial.

¿Qué hace que los imanes funcionen?

Los imanes funcionan gracias a pequeñas partículas en su interior llamadas electrones. Los electrones actúan como pequeños imanes giratorios. En la mayoría de las cosas, los electrones giran en todas direcciones de forma aleatoria. Pero en los materiales magnéticos, los espines de los electrones se alinean.

Los espines alineados forman un campo magnético general con dos extremos: los polos norte y sur. Los polos opuestos se atraen entre sí, como el norte y el sur. Pero los mismos polos se repelen por dos nortes.

La fuerza de un imán depende de de qué está hecho. Algunos materiales mantienen sus espines electrónicos mejor alineados que otros. Esta capacidad de resistir que los espines se mezclen se llama retentividad. Una mayor retentividad produce un imán más fuerte. ¡La ordenada alineación de millones de electrones girando juntos permite que los imanes se adhieran a los metales!

Imanes permanentes versus electroimanes

Existen dos tipos de imanes, incluidos los permanentes y los electromagnéticos. Los imanes permanentes mantienen su magnetismo. Están hechos de hierro, níquel, cobalto y metales raros. Los espines atómicos de estos materiales se alinean espontáneamente.

Los electroimanes se fabrican haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una bobina de alambre alrededor de un núcleo de hierro. El campo magnético es creado por la corriente en el cable. Cuando la corriente se detiene, un electroimán pierde su magnetismo. 

Los imanes permanentes y los electroimanes se ven afectados de manera diferente por la temperatura. Veamos cada uno:

Cómo afecta la temperatura a los imanes permanentes

Los imanes permanentes sólo funcionan en un rango de temperatura específico. Si un imán permanente se calienta por encima de una temperatura específica, llamada punto de Curie, perderá su magnetismo.

En el punto Curie, los pequeños giros dentro del material magnético comienzan a apuntar en direcciones aleatorias en lugar de alinearse. Hace que el imán permanente deje de ser magnético.

Temperaturas Curie de materiales magnéticos comunes

Calentar un imán permanente por encima de un punto de Curie lo vuelve completamente no magnético. Por encima de este punto, los espines atómicos que crean el magnetismo se interrumpen. Hace que los imanes permanentes de hierro, níquel o cobalto pierdan todo comportamiento magnético.

Normalmente, esta desmagnetización total no se puede revertir en los imanes tradicionales. El imán debe remagnetizarse exponiéndolo a otro campo magnético fuerte.

Sin embargo, algunos imanes de tierras raras de neodimio o samario cobalto pueden recuperar su magnetismo después de calentarse más allá de su punto de Curie. Pero el calentamiento y enfriamiento repetidos mediante el uso diario aún pueden reducir lentamente el magnetismo poco a poco con el tiempo.

Bajo la temperatura de Curie, un imán permanente perderá fuerza gradualmente a medida que se calienta. Más calor le da al átomo más energía vibratoria. Esta perturbación de los espines alineados debilita cada vez más el campo magnético.

Afortunadamente, esta pérdida gradual de magnetismo al aumentar la temperatura es reversible. Cuando el imán permanente se enfría, los espines atómicos se realinean y recupera toda la fuerza magnética. Incluso pequeños cambios de temperatura de unos pocos grados pueden alterar notablemente la potencia del campo magnético.

En resumen, los imanes permanentes funcionan mejor dentro de un rango de temperatura óptimo limitado. Demasiado calor los desmagnetiza total o parcialmente. Las temperaturas más bajas mejoran la intensidad del campo magnético.

Los ingenieros consideran estos impactos térmicos al diseñar dispositivos que utilizan imanes permanentes. El control cuidadoso de la temperatura garantiza que los imanes funcionen con el máximo rendimiento magnético.

Cómo afecta la temperatura a los electroimanes

Los electroimanes son diferentes de los imanes permanentes. Su magnetismo proviene de la electricidad que se mueve a través de una bobina de alambre. Cambiar la electricidad hace que el campo magnético sea más fuerte o más débil.

El calor impacta los electroimanes al hacer que el cable sea más difícil para que fluya la electricidad. Cuando el cable se calienta, la electricidad vibra más en su interior. Esto dificulta que la electricidad se mueva suavemente en una dirección.

Cuando la electricidad no fluye tan fácilmente, menos cantidad puede pasar por el cable. Entonces, un electroimán se debilita cuando está caliente que cuando está frío.

Pero las temperaturas medias frías y calientes no afectan demasiado a los electroimanes. El flujo de electricidad disminuye sólo un poco a menos que el cable se sobrecaliente. El campo magnético se debilita un poco, pero no desaparece por completo.

Enfriar mucho un electroimán hace que la electricidad fluya fácilmente. Un ejemplo es el uso de nitrógeno líquido, ¡que es de -196 grados! Permite fuertes campos magnéticos con menos electricidad. ¡Los electroimanes súper fríos pueden generar campos 100,000 veces el campo de la Tierra!

En resumen, los electroimanes se debilitan cuando están calientes porque el cable resiste más la electricidad. Las temperaturas muy frías mejoran el flujo de electricidad y fortalecen el campo magnético. Pero el calor no elimina el magnetismo de un electroimán como ocurre con los imanes permanentes.

Ejemplos de efectos de la temperatura en los imanes

Para ver cómo la temperatura afecta a los imanes, veamos algunos ejemplos del mundo real:

● Los imanes de refrigerador utilizan imanes permanentes hechos de ferrita o neodimio. Se debilitan notablemente cuando se calientan, pero recuperan su magnetismo total cuando se enfrían nuevamente. Dejarlos al calor como un horno puede desmagnetizarlos lentamente con el tiempo.

● Las máquinas de resonancia magnética utilizan electroimanes superconductores muy potentes que están sobreenfriados con helio líquido. El enfriamiento les permite generar fuertes campos magnéticos de 3 Tesla necesarios para escaneos corporales detallados.

● Los grandes electroimanes que se utilizan para levantar coches en los depósitos de chatarra se llaman imanes de grúa. Levantan cargas pesadas utilizando fuerza magnética. En los días calurosos, el imán no puede levantar su peso máximo debido al calor, debilitándolo. Enfriar la bobina del electroimán permite levantar objetos más pesados.

● Los pequeños imanes de neodimio en motores pequeños pierden torque y se vuelven menos eficientes si el motor se sobrecalienta. Las altas temperaturas desmagnetizan los imanes permanentes del rotor giratorio. Debilita el campo magnético giratorio que hace funcionar el motor.

● Las cintas magnéticas y los discos duros utilizan pequeñas partículas de hierro para almacenar datos. Demasiado calor mezcla las partículas magnéticas y borra los datos. Por lo tanto, el almacenamiento magnético tiene una temperatura máxima a la que puede funcionar antes de que se pierdan los datos.

Estos ejemplos demuestran cómo el control y la gestión de la temperatura son vitales cuando se trabaja con imanes. Los imanes permanentes requieren enfriamiento para preservar las propiedades magnéticas. Al mismo tiempo, los electroimanes deben evitar el sobrecalentamiento, aumentar la resistencia del cable y reducir la intensidad del campo.

Efecto de las bajas temperaturas sobre los imanes

Hemos visto que las altas temperaturas disminuyen la fuerza del imán. ¿Qué pasa con las temperaturas bajo cero?

Como se mencionó anteriormente, la reducción de la energía térmica ayuda a estabilizar la alineación de los espines atómicos en los imanes permanentes. Por tanto, los imanes permanentes se vuelven aún más fuertes a temperaturas criogénicas.

Enfriar los imanes de neodimio con nitrógeno líquido a -196 grados puede aumentar la fuerza de atracción en 2-5 veces en comparación con la temperatura ambiente. Este estado hipermagnetizado permite nuevas aplicaciones como los trenes maglev.

Los electroimanes también se benefician de las bajas temperaturas debido a la resistencia eléctrica nula de los cables (superconductividad). Esto da como resultado enormes campos magnéticos a partir de pequeñas bobinas.

Los electroimanes de investigación científica y de resonancia magnética se enfrían con helio líquido para aprovechar el potencial de superconductores como el niobio-estaño. El funcionamiento a baja temperatura permite una generación más sencilla de campos magnéticos de alta intensidad.

Entonces, mientras que el calor debilita los imanes, las temperaturas frías aumentan el rendimiento de los imanes. Tanto los imanes permanentes como los electroimanes se pueden mejorar reduciendo el movimiento térmico a nivel molecular.

¿Cómo afecta la temperatura a la estructura de los imanes?

Los diminutos bloques de construcción que componen los materiales magnéticos cambian cuando se calientan o se enfrían. Afecta lo magnéticos que son. Examinemos cómo la temperatura cambia la red cristalina y los dominios magnéticos de los tipos de imanes.

Los imanes permanentes tienen áreas diminutas llamadas dominios. Cada dominio es como un pequeño imán con espines alineados. Pero los dominios vecinos apuntan de manera aleatoria. El calentamiento altera la ordenada estructura del dominio, debilitando el imán. El enfriamiento alinea los dominios cuidadosamente, fortaleciendo el magnetismo total.

Los diferentes materiales tienen diferentes estructuras de red cristalina. Es el espaciamiento y orden de los átomos. El hierro tiene una estructura y el cobalto tiene otra. La mejor alineación de dominios depende del espaciado atómico y los estados de energía específicos de cada red cristalina.

Los electroimanes son cables enrollados en bucles en lugar de material sólido. Pero suelen tener núcleos cristalinos de hierro o acero. El calentamiento hace que los átomos vibren y se separen. Interrumpe la alineación de dominios en el núcleo, reduciendo el magnetismo. Mantener los electroimanes fríos mantiene una buena estructura de dominio.

En general, la disposición atómica invisible explica por qué el magnetismo cambia con la temperatura. El calentamiento altera la diminuta estructura. El enfriamiento aporta orden y estabilidad. Comprender estas propiedades a nanoescala es crucial para diseñar imanes para temperaturas altas o bajas.

Elegir el material del imán adecuado

Los imanes permanentes están hechos de hierro, níquel, cobalto y extraordinarias mezclas de metales de tierras raras. Los ingenieros eligen el material según el rango de temperatura, la resistencia y las necesidades de costo.

Los imanes de Alnico tienen hierro, aluminio, níquel y cobalto. Trabajan hasta 600 grados, pero la intensidad de su campo magnético es media, alrededor de 0,5-1.3T.

Los imanes de cerámica o ferrita utilizan ferritas de bario y estroncio. Son de bajo costo pero tienen una intensidad de campo escasa por debajo de 0.4T.

Los imanes de samario y cobalto pueden generar campos de alta resistencia de hasta 1,1 T y funcionar a 350 grados, pero son caros.

Los imanes de hierro, neodimio y boro tienen el mejor rendimiento general. Tienen campos potentes de hasta 1,4 T y funcionan a 230 grados.

Propiedades magnéticas de los imanes permanentes comunes

En el caso de los electroimanes, las bobinas de cobre maximizan la conductividad y pueden enfriarse para aumentar el campo. Los núcleos de hierro concentran el campo magnético. El hierro niquelado también resiste la corrosión.

El neodimio o el samario cobalto funcionan mejor para los campos más intensos a pesar del coste. El rango de temperatura en el que debe funcionar el imán determina el mejor material.

Experimentos divertidos con imanes

Puedes probar emocionantes experimentos científicos en casa utilizando imanes y diversos materiales.

Imanes enfriados:

Puedes ver cómo las temperaturas frías fortalecen los imanes con un experimento divertido. Toma un imán de nevera y pégalo en tu nevera. Dejar el imán en el frigorífico unas horas. Luego, úselo para recoger clips u otros metales magnéticos.

¿Se siente como si el imán tirara con más fuerza de los objetos metálicos cuando estaba frío? La temperatura más baja en el frigorífico hace que el imán sea más potente temporalmente. Pero este aumento de la fuerza magnética no durará para siempre.

Después de que el imán alcance la temperatura ambiente fuera del refrigerador, su magnetismo volverá a la normalidad. ¡Es genial cómo unos pocos grados de cambio de temperatura pueden afectar el campo magnético invisible!

Imanes horneados:

Aquí hay un experimento para demostrar que el calor debilita los imanes. Tome algunos imanes y hornéelos en el horno a una temperatura baja de 150 grados F (65 grados) durante 10-20 minutos. Después de hornear, retire los imanes y pruebe su fuerza de tracción.

Intente recoger clips o clavos pequeños. Deberías notar que el calor hizo que los imanes fueran menos fuertes. La cocción redujo su atracción magnética en el horno caliente. Muestra que incluso el calor leve puede alterar los campos magnéticos invisibles de los imanes permanentes.

Atracción magnética:

Tome dos imanes fuertes. Pega un imán a una bolsa de hielo para que se enfríe mucho. Pegue el otro imán a un paquete calentador de manos para que quede agradable y cálido. Ahora, intenta acercar lentamente los dos imanes entre sí.

Preste atención a la fuerza con la que se atraen y se mantienen unidos los polos opuestos. Notarás que es mucho más difícil para el imán cálido atraer al imán frío.

El imán frío todavía tiene un magnetismo fuerte, pero el calor debilita el magnetismo del imán caliente. Demuestra que una temperatura más alta reduce las fuerzas magnéticas invisibles entre los imanes. ¡Con buena pinta!

Imanes derretidos:

Con la ayuda de un adulto, puedes mostrar cómo los imanes pierden su magnetismo cuando se calientan demasiado. Utilice placas u hornos calientes con cuidado para calentar un imán más allá de los 770 grados (1418 grados F). Esto es más alto que su temperatura Curie, donde dejan de ser magnéticos.

¡Después de calentar tanto el imán, ya no debería adherirse a objetos metálicos ni repeler otros imanes!

Jugar con imanes y altas temperaturas puede ser peligroso, así que pide a un adulto que te ayude a supervisar las cosas de forma segura. Pero es interesante ver cómo la temperatura puede eliminar los poderes magnéticos invisibles de un imán. Tenga siempre mucho cuidado y realice experimentos únicamente con la supervisión adecuada de un adulto.

Conclusión

La temperatura afecta mucho a los imanes. Los imanes permanentes como el hierro o el neodimio pierden todo magnetismo por encima del punto de Curie. Una temperatura más fría mejora la intensidad de su campo.

Los electroimanes se debilitan gradualmente cuando están más calientes debido a una menor conductividad eléctrica. Pero el frío impulsa los electroimanes superconductores a campos muy altos. El control cuidadoso de la temperatura es vital. Mantener los imanes permanentes alejados del calor extremo preserva el magnetismo.

Los electroimanes de refrigeración permiten campos magnéticos más fuertes. Aprovechar el calor y el frío desbloquea nuevas aplicaciones magnéticas en la ciencia, la medicina y la ingeniería.

Preguntas frecuentes sobre cómo afecta la temperatura a los imanes

¿Cómo puedo saber si un imán se ha visto afectado por la temperatura?

Pruebe la fuerza del imán midiendo su campo magnético o su capacidad para levantar un peso conocido. Compare las especificaciones para determinar cualquier pérdida de magnetismo.

¿Cuál es la temperatura de Curie de un imán?

La temperatura de Curie es el umbral donde un material pierde sus propiedades magnéticas permanentes debido a efectos térmicos.