V. EL MAGNETISMO Y SUS APLICACIONES EN EL MUNDO MODERNO
EN ESTE cap�tulo presentaremos algunas de las aplicaciones del
magnetismo y su influencia en el mundo moderno. Podemos decir que la revoluci�n
que est� sufriendo el mundo en el campo tecnol�gico y que afectar� sin duda
toda la vida cultural, pol�tica y social de lo que resta del siglo y del subsiguiente,
es producto en gran medida del avance de la f�sica. Esto se ve de manera particular
en el desarrollo de la microelectr�nica y de otras �reas de alta tecnolog�a
que utilizan los principios del electromagnetismo en el dise�o de aparatos y
sistemas de informaci�n, medici�n, etc. Asimismo, la creaci�n de nuevos materiales
y su aplicaci�n se basa en gran medida en el conocimiento logrado en el electromagnetismo
y la mec�nica cu�ntica.
Por supuesto que el magnetismo hall� aplicaci�n desde el siglo pasado. El tel�fono
y el tel�grafo alrededor de 1880 eran aparatos activados por bater�as y, basados
en el descubrimiento de Oersted, las grandes aplicaciones a la ingenier�a de
la inducci�n electromagn�tica son el motor el�ctrico y el d�namo. El mismo Henry,
codescubridor de la inducci�n electromagn�tica, hab�a construido un motor en
1831 y dise�ado juguetes primitivos. Edison invent� un generador bipolar en
1878, un a�o antes de inventar el filamento de luz el�ctrico. El hecho de que
hubiera un generador de potencia hizo que el uso de luz el�ctrica se difundiera
r�pidamente. Con el experimento de Hertz se sentaron las bases para la transmisi�n
inal�mbrica de ondas de radio. De la misma forma, aparatos como la radio y la
televisi�n utilizan muchos de los conocimientos que sobre electromagnetismo
se generaron en las primeras decenas del siglo XX.
Las aplicaciones que se realizan en la actualidad son variad�simas y la ciencia del magnetismo se ha vuelto central en nuestra tecnolog�a como medio ideal de almacenamiento de datos en cintas magn�ticas, discos magn�ticos y burbujas magn�ticas. Adem�s, se empieza a aplicar en la medicina. Como ya lo mencionamos, el desarrollo de nuevos materiales y su aplicaci�n a modernas tecnolog�as es uno de los d�namos que mueven a la sociedad posindustrial representada por los Estados Unidos y, sobre todo, por Jap�n, donde, por cierto, la llegada de Ewing a fines del siglo pasado motiv� un esfuerzo sin precedente de Honda para desarrollar el estudio del magnetismo. Por su parte, los otros pa�ses desarrollados tambi�n poseen un gran acervo de conocimientos para obtener un considerable avance en el campo. En cuanto a los pa�ses subdesarrollados el gran desaf�o consiste en utilizar en forma �ptima los escasos recursos (sobre todo humanos) que se tienen para no quedar a la zaga de esta explosi�n cient�fica y tecnol�gica.
A continuaci�n presentaremos en forma selectiva algunos de los usos del magnetismo en diversas �reas. Esta descripci�n no pretende cubrir todos los temas de aplicaci�n del magnetismo, ni mucho menos asegurar que los temas que tratamos est�n desarrollados exhaustivamente. S�lo queremos presentar un panorama de las inmensas posibilidades que en este campo existen cuando la ciencia y la tecnolog�a se conjugan en forma imaginativa. Para esto examinaremos el �rea de nuevos materiales magn�ticos s�lidos, los ferrofluidos, la tecnolog�a en inform�tica basada en el magnetismo, la resonancia magn�tica nuclear en la medicina y el efecto de campos magn�ticos en tecnolog�a nuclear.
ALEACIONES Y COMPUESTOS CRISTALINOS
Una de las ramas importantes del magnetismo se ocupa de los efectos que influyen en la estructura y formaci�n de dominios magn�ticos tanto en bulto como en pel�culas delgadas. En forma espec�fica, del comportamiento de materiales magn�ticos granulares que no contengan dominios, sino que sean dominios �nicos (como en el caso de las bacterias discutido anteriormente). Esto es muy importante, ya que sus propiedades son m�s f�ciles de entender. Cuando se dice que un material es magn�ticamente duro significa que las part�culas que lo componen son muy anisotr�picas y, por lo tanto, que su rotaci�n se dificulta. De esta manera, una gran cantidad de materiales como rocas, magnetita, etc., han sido investigados y utilizados sobre todo en medios de grabaci�n magn�tica.
Existe un gran inter�s por estudiar aleaciones compuestas por materiales magnetoel�sticos especiales que tengan aplicaciones en sellos metalo-vidriosos, tubos de gu�a de onda, etc. La cancelaci�n que ocurre entre la expansi�n t�rmica positiva de la mayor�a de los materiales y la contribuci�n magn�tica negativa origina que en aleaciones llamadas invar (como fierro-n�quel) expansi�n t�rmica sea casi nula. Otras aleaciones como n�quel-platino, que es cristalina, y fierro-boro, que es amorfa, muestran una gran potencialidad para aplicaciones como las arriba mencionadas.
Otra aplicaci�n de aleaciones magn�ticas amorfas proviene de que se necesitan materiales magn�ticos a los se les pueda cambiar su direcci�n de magnetizaci�n con poco gasto de energ�a. Estos materiales encuentran su uso en transformadores y se necesitan para minimizar p�rdidas por calor. En aleaciones magn�ticas producidas por templado r�pido y de composici�n fierro-n�quel metaloide (como silicio, bario, etc.) se minimiza la formaci�n de anisotrop�as de los dominios magn�ticos y el material es magn�ticamente m�s suave.
El llamado m�rito de un im�n permanente est� en relaci�n con la intensidad de su magnetizaci�n permanente. El obtener aleaciones permanentes de, por ejemplo, hierro-neodinio-boro, ya sea por templado r�pido o por t�cnicas menos sofisticadas, ha permitido nuevas aplicaciones. La extrema dureza de estos materiales tiene su origen en la estructura cristalina tetragonal, la cual aumenta la anisotrop�a magn�tica. La aplicaci�n de estos materiales a�n no ha sido evaluada completamente.
Transductores que transformen movimientos mec�nicos en se�ales el�ctricas son fundamentales para la industria moderna. Los transductores basados en el magnetismo utilizan el hecho de que al aplicar un esfuerzo las propiedades magn�ticas del material utilizado como transductor var�an en forma proporcional. A esto se le conoce como magnetostricci�n. Los nuevos compuestos policristalinos muestran una magnetizaci�n 50 veces mayor que el n�quel. Las aplicaciones en la industria militar son obvias (detecci�n de submarinos).
De lo anteriormente expuesto es claro que la b�squeda de materiales magn�ticos
con propiedades espec�ficas para cientos de aplicaciones est� en pleno auge.1
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Sin
lugar a dudas la computadora ayudar� al dise�o y estudio de materiales s�lidos
con un comportamiento extremo. A continuaci�n estudiaremos con m�s detalle un
material l�quido extremadamente interesante, tanto desde el punto de vista cient�fico
como desde el tecnol�gico.
La idea de crear un fluido coloidal con propiedades ferromagn�ticas surgi�
en los a�os sesenta. Estos fluidos consisten en part�culas finamente divididas
de magnetita o cobalto suspendidas en un medio aceitoso, como el kerosene (v�ase
Figura 29). Para evitar que estas part�culas se unan y el coloide se coagule,
se adiciona un tensoactivo o agente dispersante como el �cido oleico. Las part�culas
deben ser peque�as, del orden de 100 Ångstr�ms. Estas part�culas rodeadas
de tensoactivo interact�an entre s� como si fueran esferas duras que llevaran
un dipolo magn�tico. De esta forma el coloide tiene propiedades muy interesantes
cuando se le coloca en un campo magn�tico (por ejemplo, v�ase Figura 30).
Figura 29. Part�culas de cobalto para ferrofluidos.
Este coloide, adem�s de poseer las formas de energ�a inherentes a todo flujo:
energ�a de presi�n, energ�a cin�tica y energ�a gravitacional, tiene una energ�a
ferromagn�tica al interactuar con un campo magn�tico. La suma de estas energ�as
es constante, seg�n lo demostr� Bernoulli en 1738. El juego de todas estas energ�as
permite una serie de �tiles aplicaciones (Figura 31). Por ejemplo, la interacci�n
entre magnetismo y presi�n puede ser utilizada para dise�ar un tap�n magn�tico
en un tubo que une los recipientes con gas a distintas presiones. Un tap�n hecho
con fluido normal se mover�a hasta que las presiones quedaran equilibradas.
Un ferrofluido se mantiene en su posici�n enfocando un campo magn�tico, ya que
si el tap�n se mueve un poco hacia la regi�n de baja energ�a, la fuerza magn�tica
lo detendr�. Al ser la energ�a cin�tica y gravitacional constantes, el decremento
de la energ�a debido a la presi�n debe ser compensado por un aumento de energ�a
magn�tica y viceversa. Estos sellos se utilizan cuando un eje rotante debe pasar
por un compartimiento herm�ticamente cerrado. Esta fue la primera aplicaci�n
de los ferrofluidos y posteriormente ha sido aplicada a l�seres de gas. Tambi�n
se han dise�ado sellos en etapas m�ltiples, que pueden resistir presiones 60
veces mayores a la atmosf�rica.
Figura 30. Se forman patrones muy complejos cuando a un l�quido magn�tico (oscuro) y uno no magn�tico (blanco) se les aplica un campo magn�tico horizontal. Si no hay campo aplicado, el l�quido magn�tico permanecer� en el fondo. Cuando se aplica un campo aparecen perturbaciones. El dibujo representa el fluido a los 90 seg. De haber conectado el campo.
Una variante del sello ferroflu�dico de presi�n se ha empleado en el dise�o
de bocinas. En la mayor�a de �stas, el elemento m�s importante es una bobina
cil�ndrica, ajustada en un magneto permanente con un hueco que le permite moverse.
El calor producido en el alambre puede ser disipado mejor si se coloca un l�quido
en el hueco en lugar de aire. Un fluido ferromagn�tico no se caer�, pues el
campo magn�tico lo sostendr�.
Figura 31. Aplicaciones de ferrofluidos.
Otra de las aplicaciones importantes de los ferrofluidos es su utilizaci�n en procesos de separaci�n de materiales que difieren en su densidad. Los m�todos ordinarios de separaci�n utilizan l�quidos pesados, pero son t�xicos y no pueden flotar substancias de alta densidad.
La levitaci�n magn�tica puede hacerlo y de hecho se usa para levitar partes no ferrosas de autos, en la incineraci�n de desperdicios s�lidos, etc. Si uno coloca una esfera no magn�tica dentro de un ferrofluido menos denso, �sta se ir� al fondo. Sin embargo, al colocar los polos iguales de dos imanes arriba y abajo del ferrofluido respectivamente, la esfera sube hacia el centro del recipiente que contiene el ferrofluido y all� se queda. Esto se debe a que la suma de la energ�a magn�tica y de presi�n es constante. Una variante del sistema es la levitaci�n de un objeto magn�tico. Aqu� el campo es proporcionado por el objeto mismo. Recientes aplicaciones de esto incluyen la separaci�n de diamantes de la arena y la gu�a de taladros de perforaci�n petrolera con un acelerador subterr�neo en el cual la masa sensible es levitada en un ferrofluido.
Los ferrofluidos tambi�n han hallado aplicaci�n en impresi�n de tinta por chorro, control de car�tulas alfa-num�ricas, etc. El desarrollo potencial de una m�quina magnetocal�rica que utilice como fluido de trabajo un ferrofluido es una fascinante posibilidad.
EFECTO DE CAMPOS MAGN�TICOS EN METALES L�QUIDOS
En la tecnolog�a nuclear, los reactores de cr�a juegan un papel muy importante
para la producci�n de energ�a, sobre todo en pa�ses como Francia y Alemania.
Estos reactores se llaman as� porque al operar producen m�s combustible nuclear
del que usan y l�gicamente esto es una gran ventaja de su operaci�n. Para enfriar
estos reactores se utilizan metales l�quidos. Esto incidir� en el dise�o del
reactor pues, dados los campos magn�ticos presentes en el mismo, el flujo del
metal puede seguir patrones sorpresivos. De esta manera se estudia el flujo
y el comportamiento de metales l�quidos en tuber�as de distintas secciones transversales,
sean cil�ndricas o rectangulares, rodeadas de campos magn�ticos de intensidad
variable. Los patrones de flujo afectan la raz�n de transferencia de calor,
presi�n, etc�tera.
Figura 32. Aparato simplificado para el experimento b�sico de resonancia magn�tica nuclear.
Si un n�cleo at�mico que posee esp�n es colocado en un campo magn�tico fuerte,
su momento magn�tico procesa alrededor de la direcci�n del campo. La componente
del momento en el eje definido por el campo est� cuantizada, o sea, toma solamente
valores discretos. De esta manera, s�lo ciertas energ�as son permitidas. Al
pasar de un estado de energ�a a otro el n�cleo rad�a a ciertas frecuencias.
En 1946, Purcell y Bloch desarrollaron la resonancia magn�tica nuclear (RMN)
aprovechando este hecho. Esos investigadores utilizaron un transmisor
de radiofrecuencia para producir un campo electromagn�tico oscilante que induce
transiciones entre los diversos niveles de energ�a de los n�cleos de una muestra.
Esto ocurre cuando, por un efecto de resonancia, la frecuencia del campo oscilante
iguala a la frecuencia de transici�n entre estos niveles (frecuencia de Larmor),
la cual depende tanto del momento magn�tico de n�cleo como del campo magn�tico
en el n�cleo.
Figura 33. Una imagen de resonancia magn�tica nuclear de una rebanada de abdomen. Diferencias de brillo indican diferente entorno, por ejemplo, distinguen grasa de m�sculo.
Al incidir el campo oscilante, la muestra absorbe energ�a del mismo y un gran n�mero de n�cleos se encuentran en niveles de energ�a m�s alta que en su estado de equilibrio. El sistema tiende a regresar a estados de energ�a m�s baja, no s�lo emitiendo radiaci�n, sino por medio de procesos de relajamiento no radiactivos.
Esto significa en t�rminos semicl�sicos que la precesi�n tiende a decaer. Cuando esto sucede, la fuerza electromotriz inducida produce una se�al que es amplificada y detectada. Para obtener informaci�n de la posici�n espacial de las partes de la muestra, el campo aplicado debe poseer un gradiente que d� origen a una modulaci�n de la frecuencia de respuesta. Al variar el gradiente se genera la respuesta como funci�n del vector de onda de la se�al RMN en dos o tres dimensiones. Al transformar esta se�al al espacio real se obtienen im�genes. Un esquema de un aparato para RMN se muestra en la figura 32.
Ahora bien, los tejidos tienen la misma densidad de hidr�geno, que es el n�cleo
al cual se aplica la RMN. Por lo tanto, no se obtendr�a mucha informaci�n
si los tiempos de relajamiento de la se�al no dependieran de otros factores.
Se ha encontrado, sin embargo, que estos tiempos dependen de factores qu�micos
y f�sicos que var�an de tejido a tejido. Existen de hecho dos tiempos de relajamiento.
El primero, llamado T1, est� relacionado con el restablecimiento
del equilibrio t�rmico de los espines excitados con el resto del cuerpo. El
segundo, T2, que es m�s peque�o, se relaciona con procesos que contribuyen
a la p�rdida de coherencia de fase entre los diversos espines del sistema. Seleccionando
secuencias de pulsos de excitaci�n y escogiendo tiempos de relajamiento adecuados,
se puede modular la intensidad de la se�al RMN que depende de estos
factores f�sicos y qu�micos y as� obtener informaci�n invaluable. Parece factible
que se puedan observar cambios en la frecuencia de Larmor que resultan de cambios
en el medio qu�mico del tejido, con lo que se puede obtener informaci�n acerca
de procesos metab�licos. De esta forma la se�al RMN permite estudiar
tejidos desde diversos puntos de vista. Esto complementa otras t�cnicas radiogr�ficas.
Por ejemplo, la tomograf�a computarizada es muy sensible a detalles de morfolog�a,
aunque no hace distinciones entre un sujeto vivo o un cad�ver. La RMN
ser� vital en el futuro para estudiar la fisiolog�a y las propiedades funcionales
del cuerpo (Figura 33). Otra de sus incipientes aplicaciones es el estudio del
flujo de fluidos en rocas porosas, conocimiento vital en la recuperaci�n terciaria
de petr�leo. Es previsible que el costo de los aparatos de RMN disminuya
con el advenimiento de materiales superconductores de alta temperatura cr�tica.
Figura 34. Part�culas en una cinta magn�tica. En la foto superior son part�culas de (g—Fe2O3) en forma de aguja en un disco flexible. En la inferior son part�culas magn�ticas isotr�picas en una cinta.
TECNOLOG�A DE INFORMACI�N MAGN�TICA
Indudablemente �sta es la aplicaci�n en donde el magnetismo ha permitido un desarrollo mayor y m�s impresionante, ya que ha generado una industria de 25 000 millones de d�lares al a�o, la cual crece a un ritmo de 20% anual. Su potencial es tan grande que desaf�a la imaginaci�n, y lo hecho hasta ahora parece ser s�lo el principio. La tecnolog�a de informaci�n magn�tica incluye tres campos: grabaci�n magn�tica, grabaci�n optomagn�tica y burbujas magn�ticas.
El almacenamiento de informaci�n v�a grabaci�n magn�tica se realiza en cintas magn�ticas, discos flexibles (floppy disks) y discos duros. Una cabeza de grabaci�n convencional consiste en un material magn�tico de alta permeabilidad alrededor del cual pasa una corriente por un alambre. El campo magn�tico en la brecha magnetiza el medio magn�tico en direcci�n del campo. Cambiando la direcci�n de la corriente se pueden magnetizar diferentes regiones del medio en direcciones opuestas y por tanto se tiene un c�digo de informaci�n binario. Para leer esta informaci�n se mueven la cabeza y el medio en relaci�n una al otro y al interceptar la cabeza al campo magn�tico del medio se generan pulsos el�ctricos por la ley de Lenz. En todos los medios de grabaci�n los par�metros importantes son la densidad de informaci�n, la raz�n de transferencia de datos y, por supuesto, el costo. Entre los factores que limitan estos par�metros, especialmente el primero, est� la interacci�n entre la cabeza y el medio. Esto se debe a que el campo magn�tico no puede ser enfocado y, por lo tanto, para aumentar la densidad de grabaci�n se necesita acercar la cabeza al medio, causando problemas graves. Para subsanar estos problemas se han usado part�culas alargadas de Fe2O3. Para mejorar todav�a m�s la grabaci�n se incluyen part�culas de �xido de cromo o cobalto (Figura 34).
Figura 35. Un modelo de columnas para pel�culas de Co-Cr.
Como la grabaci�n longitudinal ordinaria produce tambi�n magnetizaci�n no uniforme con componentes perpendiculares al medio, ya sea cinta o disco, los japoneses han tratado de dise�ar medios que puedan ser grabados perpendicularmente. Se han usado pel�culas de cobalto-cromo fabricadas por chisporroteo, lo cual produce cristales hexagonales ricos en cobalto, perpendiculares a la pel�cula. No se sabe si estos materiales son dominios o part�culas (Figura 35).
Figura 36. En presencia de un campo magn�tico rotante, estas estructuras prefabricadas de una aleaci�n n�quel-hierro hacen que se muevan las burbujas magn�ticas en pel�culas de granate.
En este sistema la lectura y grabaci�n se hace con un rayo l�ser. El sistema es mec�nicamente simple y la densidad de informaci�n est� limitada por la longitud de onda del l�ser. Para grabar, un rayo de luz l�ser incide sobre una delgada pel�cula magn�tica. El l�ser calienta una regi�n y alinea su momento magn�tico con un campo magn�tico aplicado. Para leer la informaci�n se usa luz de menor intensidad que la utilizada para escribir. Cuando la luz pasa por el material, su plano de polarizaci�n gira debido al efecto Faraday. La direcci�n de rotaci�n depende de la direcci�n de magnetizaci�n del material y de esta forma, usando un polarizador, uno puede transformar rotaciones en direcciones distintas en diferencias de intensidad. Como materiales magneto�pticos se utilizan aleaciones amorfas de tierras raras y metales. Como ya mencionamos, estos materiales son nuevos y se requiere de mucha investigaci�n para entenderlos.
TECNOLOG�A DE BURBUJAS MAGN�TICAS
Las memorias de burbujas magn�ticas pueden representarse como peque�os dominios m�viles cuya polaridad es contraria a la de sus alrededores.
La presencia o ausencia de una burbuja puede ser interpretada como un c�digo binario. Estas memorias son ventajosas con respecto a otros sistemas de grabaci�n en tiempos de acceso, costo y confiabilidad. Las memorias de burbuja son microestructuras, de cerca de una micra, de una aleaci�n n�quel-hierro producidas litogr�ficamente en pel�culas de granate, como se muestra en la figura 36. Un campo magn�tico rotante aplicado en el plano de la pel�cula induce polos magn�ticos en galones asim�tricos de la aleaci�n y de esta manera el domino de la burbuja se propaga. Tal vez en el futuro la implantaci�n de iones pueda substituir a la aleaci�n. Hay que subrayar que esta tecnolog�a ha sido acaparada pr�cticamente por los japoneses. Aparte de usar un campo magn�tico para propagar las burbujas, se pueden usar corrientes en planos conductores para producir el campo. El desarrollo de materiales de densidades grand�simas ha generado la investigaci�n de las llamadas l�neas de Bloch, que son recodos en las paredes de los dominios de las burbujas. Se cree que se podr�an almacenar densidades de informaci�n de l09 bits/cm2, siendo el bit la unidad de informaci�n. Se piensa tambi�n que materiales amorfos pueden soportar burbujas de cent�simas de micra y no se sabe hasta d�nde se puede llegar. El tiempo de acceso se aproximar� a 400 megabits/seg.
Este somero examen muestra el efecto brutal que las nuevas tecnolog�as basadas
en el uso del electromagnetismo tienen y tendr�n en el mundo moderno. Entre
otras cosas, el control de la fusi�n nuclear se basa en gran medida en un conocimiento
profundo del campo magn�tico. Sin duda presenciamos una revoluci�n que tendr�
un efecto mayor que la Revoluci�n Industrial y cuyas consecuencias nadie puede
prever. El humilde comienzo del magnetismo como ciencia ha desembocado hoy en
un torrente de conocimiento que la humanidad debe saber controlar.
