¿Qué es la energía magnética?

La energía magnética fue detectada en el momento en el que James Clerk Maxwell investigó el magnetismo y la electricidad. La intención de esa investigación fue demostrar que no había ningún tipo de relación entre estos dos fenómenos. Al desarrollar este estudio averiguó que la corriente estaba conectada con el magnetismo (más específicamente con los campos). Seguidamente a este descubrimiento se dio lugar a la energía electromagnética.

La fuerza magnética se manifiesta en forma de campos magnéticos. La fuerza magnética es la capacidad de la fuerza magnética de realizar un trabajo mecánico. La energía magnética es el movimiento de la carga de los electrones que se encuentran en las diferentes partículas. El movimiento es el que genera la corriente que produce el comportamiento del electrón como el de un imán de pequeñas dimensiones.

La tierra también posee un campo magnético generando una energía magnética terrestre. Esta energía tiene el polo norte y el polo sur que debido a la interacción de ellos con la atmósfera terrestre se producen fenómenos naturales como las auroras boreales.

¿Cómo se calcula el campo magnético?

La energía magnética o también conocida como el magnetismo se conoce mediante la fuerza sobre la cual carga en movimiento. Por lo que:

 F = fuerza magnética

qv= carga eléctrica del vector de velocidad de carga

B = vector del campo magnético

¿Dónde podemos encontrar la energía magnética?

El magnetismo es el fenómeno que nos permite la presencia de la fuerza de atracción con elementos magnéticos (imanes). El magnetismo lo podemos encontrar en:

-           La brújula

-           Los transformadores eléctricos

-           Discos duros

-           Los tomógrafos magnéticos

-           Los trenes maglev

-           Las auroras boreales

La relación entre la energía eléctrica y magnética

La relación que tienen la electricidad y el magnetismo se encuentra en la fuerza electromagnética (electromagnetismo). El electromagnetismo se dio a conocer en 1821 por Michael Faraday. Además, esta fuerza electromagnética es la rama de la física que estudia la relación de partículas cargadas con campos eléctricos y magnéticos.

El electromagnetismo lo podemos encontrar en las siguientes aplicaciones:

-           Micrófonos

-           Generadores

-           Motor eléctrico

El movimiento de electrones (cargas eléctricas) es la encargada de crear un campo magnético que posteriormente se crean los imanes.

Dentro de la energía magnética encontramos distintos tipos de generadores especializados en generar energía eléctrica renovable. La energía renovable obtenida a través de imanes más común es la energía eólica, la cual emplea generadores de imanes permanentes.

¿Qué es el paramagnetismo?

El paramagnetismo fue descubierto por Michael Faraday, el cual determinó que la mayoría de los elementos muestran un nivel de paramagnetismo. El paramagnetismo es un tipo de magnetismo el cual es atraído débilmente por un campo magnético que es activado desde el exterior. Este tipo de magnetismo lo encontramos en materiales paramagnéticos.

Los materiales paramagnéticos son materiales que poseen dipolos atómicos permanentes los cuales se colocan de forma lineal (paralelamente) en la dirección de un campo externo. Este material tiene una susceptibilidad positiva, en el momento en el que el campo magnético desaparece, estos materiales pierden todas sus propiedades magnéticas. Por otro lado, podemos encontrar electrones no apareados y otros electrones ausentes.

El paramagnetismo de Pauli aparece en la conducción, sin verse afectado por la temperatura. El principio de exclusión de Pauli establece que desde un átomo no pueden haber 2 electrones los cuales tengan los mismos 4 números cuánticos, es decir deberán haber espines opuestos.

Paramagnetismo características

El paramagnetismo en materiales puede ser atraído por otro imán. Sin embargo, no tiene la capacidad de atraer otro material paramagnético. Los materiales paramagnéticos tienen una susceptibilidad positiva y pequeña (entre 10^-6 y 10^-2).

A diferencia del diamagnetismo, los materiales paramagnéticos si se ven afectados por la temperatura. De manera que, si la temperatura aumenta, el orden de los momentos magnetismos de los átomos disminuye. Esta temperatura se expresa mediante la ley de Curie.

X =C/T

X = susceptibilidad magnética

C =la constante de Curie (cada material tiene uno diferente)

T = temperatura absoluta (K)

Otro factor que debemos tener en cuenta es la magnetización (M) la cual depende de la intensidad del campo

M = XH

El paramagnetismo en la tabla periódica

Al igual que el diamagnetismo, para conocer si un material es paramagnético o no, debemos conocer la configuración electrónica del material en cuestión. En el caso del paramagnetismo los electrones se encuentran desapareados.

Como por ejemplo el aluminio:

El aluminio tiene 3 electrones en la capa de valencia por lo que tiene un electrón desapareado, que como hemos leído, significa que es un material paramagnético.

Para conocer si un material es paramagnético o no, nos tenemos que fijar en la capa de valencia (la última capa, si esta es desapareada, encontraremos que es paramagnética, en otras palabras, los elementos paramagnéticos tienen un número de electrones impar.)

La capa de valencia es la última capa. En la tabla periódica consta de 18 grupos y 7 periodos. Cada vez que se cambia de periodo se cambia de capa.

¿Qué es el diamagnetismo?

El diamagnetismo es una característica que posee un imán en el momento en el que la magnetización que se encuentra en sentido contrario a la aplicación del campo magnético es débil. Consecuentemente con este podemos observar que un material con esta propiedad, es decir un material diamagnético es repelido por un imán.

En 1778, Sebald Justinus Brugmans fue el primero en observar que dos materiales (el bismuto y el antimonio), ponen resistencia a ser atraídos hacia campos magnéticos.

El diamagnetismo fue descubierto por Michael Faraday en 1845, con ayuda del experimento Faraday, obteniendo un resultado negativo (por lo que esto nos lleva directamente a la ley de Lenz). La aceleración del campo magnético externo ralentiza los electrones, por lo que estos se oponen a la acción del campo externo, debilitándolo.

Propiedades del diamagnetismo

El diamagnetismo como los demás tipos de materiales magnéticos, tiene varias propiedades como:

• El diamagnetismo puede tener forma de líquido, sólido o gaseoso.

• Una permeabilidad magnética relativa menor a 1.

• Su inducción y la susceptibilidad magnéticas es negativa.

• Los materiales diamagnéticos no son afectados por la temperatura.

• Una vez se elimina el campo externo, el material no tiene la capacidad de retener las propiedades magnéticas.

¿Cómo se puede saber si un material es diamagnético o no?

Para conocer si un material es diamagnético o no, nos tenemos que fijar en su configuración electrónica, más específicamente en sí los electrones se encuentran desapareados o no. Si los electrones se encuentran desapareados el material será paramagnético, y en el caso de los electrones se encuentren apareados este será diamagnético.

La configuración electrónica es la forma en la que los electrones están distribuidos dentro de un átomo, en este hay distintas capas. Existen 7 niveles de energía: del 1 al 7, dentro de cada nivel podemos encontrar 4 subniveles: s, p, d y f.

Cada subnivel tiene un máximo de electrones.

Ejemplos de elementos diamagnéticos:

Los materiales diamagnéticos más conocidos son: el bismuto, el helio, el hidrógeno, gases nobles, el oro, el cobre, el bronce…

Por ejemplo, el bismuto tiene la siguiente configuración electrónica:

Bi = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³

Conociendo que el número atómico es 83 y se encuentra en el grupo 15. A continuación podemos ver la estructura atómica y la estructura cristalina.

Ley de Faraday y ley de Lenz

Michael Faraday fue físico y químico nacido en el Reino Unido. En 1831 después de realizar varios experimentos, descubrió la inducción electromagnética. Fue en este momento en el que se descubrió que se puede crear un campo eléctrico a partir de un campo magnético variable. Fue este suceso el que impulsó la ley de Faraday y la ley de Lenz.

La ley de Faraday o también conocida como la ley de Faraday de la electrólisis hace referencia a la cantidad de masa que se encuentra proporcional a cierta electricidad.

La ley de Faraday establece que el voltaje inducido que se encuentra en una bobina el cual es directamente proporcional a la rapidez en la que se da el cambio del flujo magnético por la unidad de tiempo en una superficie junto al circuito. En el momento que se le introduce la corriente el campo magnético de ella muestra resistencia al cambio de flujo. El signo negativo de la ley Faraday nos muestra el sentido de la corriente inducida, también conocida como la ley de Lenz.

Junto a la ley de Faraday, encontramos la ley de Lenz que, a diferencia de la ley de Faraday, esta ley nos indica la dirección en la que la corriente fluye, al igual que establece la dirección a la cual crea resistencia al cambio, en otras palabras, el campo magnético producida por la corriente inducida circula en dirección contraria al campo que había en el campo original.

¿Cómo se calcula la ley de Faraday y Lenz?

Como hemos visto anteriormente, la ley de Faraday se basa en el voltaje que se representa con:  FEM (Ɛ).

FEM (Ɛ) = N · (∆ϕ/∆t)

FEM (Ɛ) = voltaje de la bobina

N = número de vueltas a la bobina

dΦ = cambio del flujo magnético

dt = lapso de tiempo (∆t = 0)

Para obtener la ley de Lenz tan solo hemos de cambiar el signo del cálculo a negativo ya que, debido a su definición, la ley de Lenz hace referencia a resistencia al cambio de la variación del flujo. Por lo que la fórmula para obtener el valor de esta resistencia es:

VƐ = - N · (∆ϕ/∆t)

Aplicaciones en nuestra vida cotidiana

La ley de Faraday y la ley de Lenz tienen muchas aplicaciones. Todas las aplicaciones que tengan conexión con la tecnología eléctrica dependen de ellas. De la misma manera podemos emplear las leyes en la vida cotidiana de varias formas como en:

• Generador

• Motor eléctrico

• Freno magnético

• Cocinas de inducción