¿Qué es un ferrofluido?

El extraño tema que hoy nos ocupa es el siguiente.

Lo de esta animación es un ferrofluido: un líquido capaz de reaccionar ante la influencia de un campo magnético. Y, no: por suerte no está vivo.

Escribiendo esta entrada, lo que me ha sorprendido al buscar sobre el tema es que parece que nadie tiene ni idea de qué es el magnetismo en el fondo y tampoco parece importarle a nadie, porque para entenderlo hay que sumergirse en el campo de la mecánica cuántica (y eso es un percal).

Así que he montado una versión simplificada que considero suficientemente correcta. Pero antes veamos más acción ferrofluídica.

Wikipedia nos dice sobre el campo magnético:

“Los campos magnéticos son producidos por cualquier carga eléctrica en movimiento y el momento magnético intrínseco de las partículas elementales asociadas con una propiedad cuántica fundamental, su espin.”

O, dicho de otra manera.

“Por favor, necesito vuestro dinero para seguir brindando información vaga e imprecisa”. Jimmy Wales, fundador de Wikipedia*.

Todos sabemos cómo son los átomos: un núcleo denso rodeado de partículas más pequeñas, los electrones. Si no lo tenéis claro del todo, hablaba del tema en esta entrada.

Los electrones dan vueltas alrededor del átomo y, en general, tienden a hacerlo por pares y en direcciones opuestas para que el átomo no quede desequilibrado. Cuando un átomo tiene un número impar de electrones, uno de ellos queda girando en una dirección sin una pareja que compense su movimiento y es entonces cuando decimos que ese átomo tiene un momento angular magnético.

Generalmente, un material cualquiera contiene átomos desparejados a raudales, pero no todos están orientados en direcciones distintas.

Individualmente, un átomo desequilibrado es demasiado débil como para tener efecto alguno sobre la materia que lo rodea, y el propio hecho de estar cada uno girando en la dirección que le da la gana hace que el desequilibrio producido por uno lo compense otro que vaya en dirección opuesta así que, a nivel global, el material está en más o menos equilibrio y no presenta propiedades magnéticas.

Pero podemos alinear todos los átomos que contienen electrones desemparejados aplicando un campo magnético externo sobre el objeto que los contiene de la siguiente manera:

Sujeta entre nuestros dedos, la aguja no es incapaz de absorber la fuerza magnética que está recibiendo mediante un cambio de posición. La energía transferida por el imán tiene que disiparse por algún lado, así que la única salida es que los electrones desemparejados empiezan a alinearse y girar todos en la misma dirección.

En el dibujo de la izquierda están todos los átomos girando hacia la misma dirección.

Este no es un descubrimiento nuevo: en la antigüedad se frotaban agujas con magnetita, un mineral con base de hierro y propiedades magnéticas, para magnetizarlas. Depositadas sobre un fluido que ofreciera poca resistencia, estas agujas tendían a alinearse en la dirección del campo magnético terrestre. Y eso es, básicamente, una brújula.

Siguiendo con el tema, el hierro puede tener hasta 4 electrones desemparejados, lo que lo convierte en el elemento que más “desequilibrado” puede llegar a estar y, por tanto, es el más magnético de la tabla periódica. Cuando tenemos muchísimos átomos de hierro juntos en una misma masa girando en la misma dirección, los átomos desemparejados que contienen los objetos que se encuentren a su alrededor tenderán también a adoptar también esa dirección de giro, pese a no estar en contacto directo con ellos.

O sea que, cuando una masa que contenga electrones desemparejados pase a través del campo magnético generado por un imán, si no tiene nada que lo sujete, sus propios electrones tenderán a intentar alinearse en la dirección en la que fluye el campo con fuerza suficiente como para mover el objeto del que forman parte. Esto es lo que, a gran escala, percibimos como magnetismo.

Y ahí es donde entran los ferrofluidos.

El campo magnético no es continuo y tiende a concentrarse en patrones como el de la figura anterior (aunque en en tres dimensiones). En un sólido afectado por un campo magnético esto no puede apreciarse, pero si cogemos muchas partículas diminutas y las colocamos alrededor de un imán, ocurre lo siguiente.

 

Las partículas se acumularán alrededor de las zonas de mayor intensidad magnética, que son las líneas de campo.

Si cogemos esas partículas finísimas, las pulverizamos aún más, y las mezclamos con aceite de manera que se mezclen de la manera más homogénea posible sin formar precipitados, obtendremos un ferrofluido. Las partículas en suspensión tendrán libertad para moverse en tres dimensiones y adaptarse a la forma del campo magnético del imán que las influya. El líquido que se encuentre más cerca de las líneas del campo magnético tenderá a acumularse a su alrededor en tres dimensiones, formando esos picos característicos.

Y no tiene más, ese es el secreto de los ferrofluidos.

Aparte de toda esta parrafada, hay gente como Fabian Oefner que han cogido este fenómeno y lo han convertido en arte (o al menos en patrones de colores interesantes).

Podéis ver el proceso de creación de este tipo de cosas haciendo click aquí. Por algún motivo, a mí me da como asco.

*Nota: apoyo al 100% la causa de Wikipedia, aunque me hacen gracia las fotos que usan para buscar subvenciones.

5 pensamientos en “¿Qué es un ferrofluido?”

  1. Tengo un “dudo”: Tenía entendido que el campo magnético se representaba mediante lineas pues es más sencillo que representar un gradiente de tonalidades/intensidades, pues en realidad el campo magnético no tiene cambios tan bruscos como parecen las líneas. Si as así, ¿porque el ferrofluido forma picos?

  2. Es una muy buena pregunta. Voy a responderla usando el ejemplo de las virutas de hierro, o los dos nos volveremos locos.

    Cuando las partículas de hierro se someten al efecto de un campo magnético, cada una de ellas se magnetiza un poco, por lo que pasan a tener un polo norte y un polo sur.

    De esta manera, cada partícula se convierte en un pequeño imán y, como los polos opuestos tienden a atraerse entre sí y pegarse entre ellos, las virutas empiezan a agruparse en cúmulos.

    Estos cúmulos, al contener más material, poseen más “fuerza magnética” que las virutas de su alrededor y tienden a atraerlas hacia sí, por lo que los espacios que hay entre dos cúmulos quedan vacíos de partículas.

    Es decir, que por muchas veces que repitas el mismo experimento, las líneas de campo magnético que se “dibujarán” serán diferentes, ya que depende de cómo están distribuidas las partículas de hierro en un determinado momento.

    El fenómeno que provoca los picos en el ferrofluido es el mismo, sólo que en tres dimensiones, aunque es más difícil de visualizar (y explicarlo dibujos en dos dimensiones no mejora mucho el panorama).

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