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21.6: Aplicaciones del Magnetismo

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    objetivos de aprendizaje

    • Explicar por qué se utiliza el campo magnético en espectrómetros de masas

    Espectrometría de Masas

    La espectrometría de masas (EM) es el arte de mostrar los espectros (espectro singular) de las masas de una muestra de material. Se utiliza para determinar la composición elemental de una muestra, y las propiedades de las partículas y moléculas (las estructuras químicas de las moléculas, como péptidos y otros compuestos químicos).

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    Esquema del Espectrómetro de Masas: Esquemas de un espectrómetro de masas simple con analizador de masas tipo sector. Este es para la medición de proporciones de isótopos de dióxido de carbono como en la prueba de aliento carbono-13urea.

    Los espectrómetros de masas, como se esquematizan en, separan los compuestos en función de una propiedad conocida como la relación masa/carga. La muestra a identificar primero se ioniza, y luego se pasa a través de alguna forma de campo magnético. Con base en parámetros, como el tiempo que tarda la molécula en recorrer una cierta distancia o la cantidad de deflexión causada por el campo, se puede calcular una masa para el ion.

    Cómo funciona

    Primero, la muestra se somete a vaporización por calor intenso. Los componentes gaseosos de la muestra son ionizados (convertidos en iones) cada uno con la misma cantidad de carga. A continuación, los iones se agrupan aplicando una fuerza magnética similar a cada uno. Dado que la aceleración de una carga depende de la masa y la fuerza de la carga, una relación masa-carga más ligera no viajará tan lejos como una relación masa-carga alta, permitiendo la comparación de las propiedades físicas de diferentes partículas. Las agrupaciones son detectadas por alguna señal cuantitativa de sondeo continuo. El detector diferencia los iones en función de qué tan lejos se curvan en el campo magnético. La señal se procesa en los espectros (singulares de espectro) de las masas de las partículas de esa muestra. Los elementos o moléculas se identifican de manera única correlacionando las masas conocidas por las masas identificadas.

    Ferromagnetismo

    El ferromagnetismo es propiedad de ciertos materiales que les permite formar imanes y ser atraídos por los imanes.

    objetivos de aprendizaje

    • Relacionar el ferromagnetismo con la configuración electrónica

    El ferromagnetismo es el mecanismo básico por el cual ciertos materiales (como el hierro) forman imanes permanentes, o son atraídos por los imanes. En física, se distinguen varios tipos diferentes de magnetismo. El ferromagnetismo es el tipo más fuerte, es el único tipo que crea fuerzas lo suficientemente fuertes como para ser sentidas, y es responsable de los fenómenos comunes de magnetismo que se encuentran en la vida cotidiana.

    Cuando un imán entra en estrecha proximidad con un material ferromagnético previamente no magnetizado, provoca la magnetización local del material con polos más cercanos a diferencia. Las regiones dentro del material (llamadas dominios) actúan como pequeños imanes de barra. Dentro de los dominios, los polos de los átomos individuales están alineados. Cada átomo actúa como una pequeña barra magnética. Los dominios son pequeños y están orientados aleatoriamente en un objeto ferromagnético no magnetizado. En respuesta a un campo magnético externo, los dominios pueden crecer hasta alcanzar un tamaño milimétrico, alineándose ellos mismos. Esta magnetización inducida puede hacerse permanente si el material se calienta y luego se enfría, o simplemente se toca en presencia de otros imanes, como se muestra en. Los imanes permanentes (materiales que pueden ser magnetizados por un campo magnético externo y permanecen magnetizados después de que se elimina el campo externo) son ferromagnéticos, al igual que otros materiales que son notablemente atraídos por ellos.

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    Hierro no magnetizado a magnetizado: (a) Una pieza de hierro no magnetizada (u otro material ferromagnético) tiene dominios orientados aleatoriamente. b) Cuando son magnetizados por un campo externo, los dominios muestran una mayor alineación, y algunos crecen a expensas de otros. Los átomos individuales están alineados dentro de los dominios; cada átomo actúa como una pequeña barra magnética.

    El ferromagnetismo surge de la propiedad fundamental de un electrón; también lleva carga para tener un momento dipolar. Así, un electrón mismo se comporta como un pequeño imán. Este momento dipolar proviene de la propiedad más fundamental del electrón: su giro mecánico cuántico. La naturaleza mecánica cuántica de este espín limita el electrón a solo dos estados: con el campo magnético apuntando “arriba” o “abajo” (para cualquier elección de arriba y abajo). Cuando estos dipolos magnéticos diminutos se alinean en la misma dirección, sus campos magnéticos individuales se combinan para crear un campo macroscópico medible.

    Sin embargo, en materiales con una capa de electrones llena, el momento dipolar total de los electrones es cero, ya que los espines están en pares arriba/abajo. Solo los átomos con conchas parcialmente llenas (es decir, espines desapareados) pueden tener un momento magnético neto. Así, el ferromagnetismo solo ocurre en materiales con conchas parcialmente rellenas. (Según las reglas de Hund, los primeros electrones en un caparazón tienden a tener el mismo giro, aumentando así el momento dipolar total).

    En consecuencia, solo ciertos materiales (como hierro, cobalto, níquel y gadolinio) exhiben fuertes efectos magnéticos. Tales materiales se llaman ferromagnéticos, después de la palabra latina para hierro, ferrum. Un grupo de materiales hechos de las aleaciones de los elementos de tierras raras también se utilizan como imanes fuertes y permanentes (uno popular es el neodimio). Otros materiales presentan efectos magnéticos débiles, detectables solo con instrumentos sensibles. Los materiales ferromagnéticos no solo responden fuertemente a los imanes (la forma en que el hierro es atraído por los imanes), también pueden magnetizarse ellos mismos, es decir, pueden ser inducidos para ser magnéticos o convertirlos en imanes permanentes.

    El ferromagnetismo es muy importante en la industria y la tecnología moderna, y es la base de muchos dispositivos eléctricos y electromecánicos como: electroimanes, motores eléctricos, generadores, transformadores y almacenamiento magnético (por ejemplo, grabadoras de cinta y discos duros).

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    Imanes para Refrigerador: Diferentes imanes unidos a las puertas de un refrigerador.

    Paramagnetismo y Diamagnetismo

    El paramagnetismo es la atracción del material mientras se encuentra en un campo magnético, y el diamagnetismo es la repulsión de los campos magnéticos.

    objetivos de aprendizaje

    • Describir las propiedades de los materiales diamagnéticos y paramagnéticos

    Paramagnetismo

    El paramagnetismo es una forma de magnetismo mediante la cual el material paramagnético solo es atraído cuando está en presencia de un campo magnético aplicado externamente. Los materiales paramagnéticos tienen una permeabilidad magnética relativa mayor o igual a la unidad (es decir, una susceptibilidad magnética positiva) y por lo tanto son atraídos a campos magnéticos. El momento magnético inducido por el campo aplicado es lineal en la intensidad del campo; también es bastante débil.

    Los átomos constituyentes o moléculas de materiales paramagnéticos tienen momentos magnéticos permanentes (dipolos), incluso en ausencia de un campo aplicado. Generalmente, el momento permanente es causado por el giro de electrones desapareados en orbitales de electrones atómicos o moleculares. En el paramagnetismo puro, los dipolos no interactúan entre sí y se orientan aleatoriamente en ausencia de un campo externo debido a la agitación térmica; esto da como resultado un momento magnético neto cero. Cuando se aplica un campo magnético, los dipolos tenderán a alinearse con el campo aplicado, dando como resultado un momento magnético neto en la dirección del campo aplicado.

    Los materiales paramagnéticos tienen una pequeña susceptibilidad positiva a los campos magnéticos. Estos materiales son ligeramente atraídos por un campo magnético y el material no retiene las propiedades magnéticas cuando se elimina el campo externo, como se ilustra en. Las propiedades paramagnéticas se deben a la presencia de algunos electrones desapareados, y a la realineación de las trayectorias electrónicas causadas por el campo magnético externo.

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    Materiales Paramagnéticos y Campos Eléctricos: Orientación en material paramagnético cuando se aplica campo eléctrico (imagen derecha) y se elimina (imagen izquierda).

    Los materiales paramagnéticos incluyen magnesio, molibdeno, litio y tantalio. A diferencia de los ferroimanes, los paramagnets no retienen ninguna magnetización en ausencia de un campo magnético aplicado externamente, porque el movimiento térmico aleatoriza las orientaciones de giro responsables del magnetismo. Algunos materiales paramagnéticos retienen el trastorno del espín en cero absoluto (lo que significa que son paramagnéticos en el estado fundamental). Así, la magnetización total cae a cero cuando se elimina el campo aplicado. Incluso en presencia del campo solo hay una pequeña magnetización inducida porque solo una pequeña fracción de los giros se orientará por el campo.

    Diamagnetismo

    El diamagnetismo es la propiedad de un objeto o material que hace que cree un campo magnético en oposición a un campo magnético aplicado externamente. Así, a diferencia de los paramagnets, los diamagnets son repelidos por los campos magnéticos, lo que puede llevar a sus efectos inusuales, como la levitación del material diamagnético cuando se ubica por encima de un poderoso imán (como se muestra en).

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    Carbono levitante: Carbono pirolítico levitando sobre imanes permanentes

    El diamagnetismo, en mayor o menor grado, es propiedad de todos los materiales y siempre hace una contribución débil a la respuesta del material a un campo magnético. Sin embargo, para los materiales que muestran alguna otra forma de magnetismo (como el ferromagnetismo o el paramagnetismo), la contribución diamagnética se vuelve insignificante. Además, todos los conductores exhiben un diamagnetismo efectivo cuando experimentan un campo magnético cambiante. Por ejemplo, la fuerza de Lorentz sobre los electrones hace que circulen alrededor formando corrientes parásitas. Las corrientes parásitas producen entonces un campo magnético inducido opuesto al campo aplicado, resistiendo el movimiento del conductor.

    Solenoides, bucles de corriente y electroimanes

    Los solenoides son bucles de alambre alrededor de un núcleo metálico y se pueden usar para crear campos magnéticos controlados.

    objetivos de aprendizaje

    • Explicar por qué los solenoides son importantes y su estructura

    Solenoides

    Un solenoide es una bobina enrollada en una hélice apretada. En física, el término solenoide se refiere a un bucle de alambre largo y delgado, a menudo envuelto alrededor de un núcleo metálico; produce un campo magnético cuando pasa una corriente eléctrica a través de él. Los solenoides son importantes porque pueden crear campos magnéticos controlados y pueden usarse como electroimanes. El término solenoide se refiere específicamente a una bobina diseñada para producir un campo magnético uniforme en un volumen de espacio (en el que se podría realizar algún experimento).

    Electroimanes y Bucles de Corriente

    A principios del siglo XIX, se descubrió que las corrientes eléctricas provocan efectos magnéticos. La primera observación significativa la realizó el científico danés Hans Christian Oersted (1777—1851), quien encontró que una aguja de brújula estaba desviada por un alambre portador de corriente. Esta fue la primera evidencia significativa de que el movimiento de cargas tenía alguna conexión con imanes. El electromagnetismo es el uso de corriente eléctrica para hacer imanes. Estos imanes inducidos temporalmente se llaman electroimanes. Los electroimanes se emplean para muchos usos: desde una grúa de naufragio que levanta autos desechados, hasta controlar el haz de un acelerador de partículas de 90 km de circunferencia, hasta los imanes en máquinas de imágenes médicas (para otros ejemplos ver).

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    Usos de los Electroimanes: Un electroimán induce regiones de magnetismo permanente en un disquete recubierto con un material ferromagnético. La información almacenada aquí es digital (una región es magnética o no); en otras aplicaciones, puede ser analógica (con una intensidad variable), como en cintas de audio.

    La combinación de un ferroimán con un electroimán puede producir efectos magnéticos particularmente fuertes. Siempre que se necesitan fuertes efectos magnéticos (como levantar chatarra o en aceleradores de partículas), los electroimanes se mejoran con materiales ferromagnéticos.

    Un electroimán crea magnetismo con una corriente eléctrica. En secciones posteriores exploramos esto de manera más cuantitativa, encontrando la fuerza y dirección de los campos magnéticos creados por diversas corrientes. Las corrientes, incluidas las asociadas con otras partículas submicroscópicas como los protones, nos permiten explicar el ferromagnetismo y todos los demás efectos magnéticos. El ferromagnetismo, por ejemplo, resulta de una alineación cooperativa interna de espines electrónicos, posible en algunos materiales pero no en otros.

    Puntos Clave

    • Al vaporizar un material en iones, los espectrómetros de masas pueden decir qué elementos componen ese material.
    • Cuando se aplica un campo magnético a los iones, estos desvían o aceleran varias cantidades dependiendo de su relación carga eléctrica a masa.
    • Al observar cuánto se desvían los iones, el espectrómetro de masas puede identificar la relación carga/masa de cada ion y, por lo tanto, qué elemento es.
    • El ferromagnetismo es el mecanismo básico por el cual ciertos materiales (como el hierro) forman imanes permanentes, o son atraídos por los imanes.
    • Cuando un material ferromagnético se acerca a un imán, los polos de los átomos individuales del material se alinean a lo largo de las líneas del campo magnético. Si se hace permanente, esta alineación puede crear un imán permanente.
    • El ferromagnetismo solo ocurre en materiales con conchas de electrones parcialmente llenas.
    • Los paramagnets actúan como imanes mientras están en presencia de un campo magnético aplicado externamente.
    • Los diamagnets crean un campo magnético en oposición a un campo magnético aplicado externamente. Así, repulsan los imanes.
    • El diamagnetismo es propiedad de todos los materiales y siempre hace una contribución débil a la respuesta del material a un campo magnético. Sin embargo, para materiales que muestran ferromagnetismo o paramagnetismo, la contribución diamagnética se vuelve insignificante.
    • Los bucles de alambre en un campo magnético crean corriente.
    • El electromagnetismo es el uso de corriente eléctrica para hacer imanes. Los electroimanes son imanes temporales que mantienen sus propiedades magnéticas solo cuando la corriente pasa a través de ellos.
    • Los solenoides y electroimanes tienen muchos usos en física e ingeniería porque permiten el control de campos magnéticos.

    Términos Clave

    • carga eléctrica: Un número cuántico que determina las interacciones electromagnéticas de algunas partículas subatómicas; por convención, el electrón tiene una carga eléctrica de -1 y el protón +1, y los quarks tienen carga fraccional.
    • masa: La cantidad de materia que contiene un cuerpo, independientemente de su volumen o volumen. Es una de las cuatro propiedades fundamentales de la materia. Se mide en kilogramos en el sistema de medición SI.
    • campo magnético: Una condición en el espacio alrededor de un imán o corriente eléctrica en la que hay una fuerza magnética detectable, y donde están presentes dos polos magnéticos.
    • spin: Momento angular cuántico asociado con partículas subatómicas; también crea un momento magnético.
    • momento dipolo: El producto vectorial de la carga en cualquiera de los polos de un dipolo y la distancia que los separa.
    • caparazón de electrones: Los estados colectivos de todos los electrones en un átomo que tiene el mismo número cuántico principal (visualizado como una órbita en la que se mueven los electrones).
    • ferromagnetismo: Fenómeno por el cual ciertas sustancias pueden convertirse en imanes permanentes cuando se someten a un campo magnético.
    • paramagnetismo: La tendencia de los dipolos magnéticos a alinearse con un campo magnético externo; los materiales que presentan esta tendencia se convierten en imanes temporales.
    • diamagnetismo: Forma débil de magnetismo que solo se observa en presencia de un campo magnético externo; debido a un campo magnético inducido en dirección opuesta.
    • ferromagnético: De un material, como el hierro o el níquel, que se magnetiza fácilmente.
    • campo magnético: Una condición en el espacio alrededor de un imán o corriente eléctrica en la que hay una fuerza magnética detectable, y donde están presentes dos polos magnéticos.

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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