miniatura|Un imant d'alnico Un imant és un cos o dispositiu que genera un camp magnètic, o dit d'una altra manera, amb un moment magnètic significatiu, i per això tendeix a alinear-se amb altres imants (per exemple, amb el camp magnètic terrestre). Magnèsia és una localitat coneguda des de l'antiguitat pels seus dipòsits de magnetita. Els imants poden ser permanents o temporals, un imant permanent no necessita cap influència externa per a generar el seu camp magnètic mentre que en els imants temporals, com per exemple els electroimants només generen el seu camp magnètic gràcies al corrent elèctric. Els imants permanents es poden formar de manera natural, com en el cas de la magnetita, però també poden ser fabricats de manera artificial.
El camp magnètic no és visible però és el responsable que els imants atreguin o repel·leixin diversos materials, aquells que són fortament atrets per un imant tenen una gran permeabilitat magnètica, com en el cas del ferro i alguns tipus d'acer, i reben la denominació de materials ferromagnètics. Els materials amb una baixa permeabilitat magnètica només són atrets feblement pels imants i reben el nom de paramagnètics, un exemple seria l'oxigen líquid. Finalment hi ha alguns materials, com l'aigua, que tenen una permeabilitat magnètica tan baixa que el magnetisme només es manifesta en presència d'un camp magnètic extern (diamagnetisme). Tot té una permeabilitat magnètica mesurable.
Els imants poder ser permanents, si un cop magnetitzats conserven de manera persistent les propietats magnètiques, o temporals, si només conserven les propietats magnètiques mentre són sota la influència d'un camp magnètic, desapareixent quan el camp desapareix. Un electroimant seria un tipus d'imant temporal fet amb un bobinat de fil elèctric pel que passa un corrent elèctric, i només es comporta com un imant mentre passa el corrent; de vegades el bobinat es fa al voltant d'un material ferromagnètic per tal de millorar el camp magnètic que es produeix.
La unitat de mesura del SI per al camp magnètic és el tesla, mentre que la unitat per al flux magnètic és el weber; 1 tesla és 1 weber per metre quadrat.
Història
Les descripcions més antigues que coneixem de les propietats dels imants procedeixen de l'antic Egipte i de les antigues Grècia, Índia i Xina.Li Shu-hua, “Origine de la Boussole 11. Aimant et Boubssole,” Isis, Vol. 45, No. 2. (Jul., 1954), p.175 Vers el 585 aC Tales de Milet descrivia que la magnetita atreia el ferro però pensava que la causa era que tenia ànima (en aquella època un moviment implicava vida, ànima o la intervenció d'un déu). Un intent d'explicació sense intervenció de déus o l'ànima el podem trobar a l'obra De rerum natura de Lucreci (98 aC- 54 aC). Però no serà fins al 1600 amb la publicació de De Magnete de William Gilbert que comença la ciència del magnetisme a Europa. A la Xina, la primera menció coneguda dels imants i les seves propietats és del , i les primeres descripcions de la utilització de brúixoles són de principis del . L'ús d'aquests aparells seria comú arreu als segles i .
Pedres imant
Les pedres imant són peces magnetitzades naturalment de la magnetita mineral. Són imants naturals que poden atraure el ferro. La propietat del magnetisme es va descobrir per primera vegada a l'antiguitat a través de les pedres. Els trossos de pedra imant, suspesos perquè poguessin girar, van ser les primeres brúixoles magnètiques.
Origen físic del magnetisme Imants permanents Qualsevol objecte comú està compost de partícules com els protons, els neutrons i els electrons, cadascuna de les quals compta entre les seves propietats quàntiques amb l'espín, que associa un camp magnètic a aquestes partícules. Des d'aquest punt de vista, seria d'esperar que qualsevol material, essent format per un nombre immens de partícules, tingués propietats magnètiques (fins i tot les partícules d'antimatèria tenen propietats magnètiques), però l'experiència diària, contradiu aquesta possibilitat.
Dins de cada àtom o molècula, la disposició de cada espín segueix estrictament el principi d'exclusió de Pauli, però a qualsevol substància diamagnètica no hi ha una ordenació de l'espín que afecti un gran nombre de partícules, per això no hi ha un camp magnètic, el moment magnètic d'una partícula es cancel·la amb el d'una altra.
En canvi, en imants permanents, sí que trobem un grau d'ordenació important de l'espín de les seves partícules. El nivell d'ordenació més elevat es presenta als anomenats dominis de Weiss o dominis magnètics: que poden ser considerats com a regions microscòpiques on hi ha una forta interacció entre les partícules, anomenades interaccions d'intercanvi, que genera una situació molt ordenada, com més gros sigui el grau d'ordre del domini, més fort serà el camp magnètic que es generarà.
Una ordenació elevada (i per tant, un camp magnètic fort) és una de les principals característiques dels materials ferromagnètics.
Una estratègia que es pot fer servir per a generar un camp magnètic molt intens consisteix a orientar tots els dominis de Weiss d'un material ferromagnètic amb un camp menys intens, generat per una bobina de material conductor per la qual passa un corrent elèctric: un electroimant.
Magnetisme generat pels electrons Els electrons tenen un paper important en la formació del camp magnètic, en un àtom els electrons es poden trobar sols o en parelles dins de cada orbital. Si estan en parelles, cada electró té un espín oposat al de l'altre (espín up i espín down), des del moment que els espins tenen direccions oposades s'anul·len entre si, per tant una parella d'electrons no pot generar un camp magnètic.
En molts àtoms, el nombre d'electrons és senar, tots els materials magnètics tenen electrons d'aquest tipus, però no es pot dir que un àtom amb electrons desaparellats serà ferromagnètic. Per poder ser ferromagnètic, els electrons no aparellats del material també han d'interaccionar entre si a gran escala, de manera que han d'estar tots orientats en la mateixa direcció. La configuració electrònica específica dels àtoms, així com la distància entre cada àtom, és el principal factor que impulsa aquest ordre de llarg abast, que afecta a moltes partícules. Si els electrons tenen la mateixa orientació es trobaran en un estat de menor energia.
Electroimants miniatura|Demostració del funcionament d'un electroimant a la fira de Leipzig el 1954. El 1820, Hans Christian Ørsted va descobrir que una agulla de brúixola es desvia per la proximitat d'una corrent elèctrica. El mateix any, André-Marie Ampère va demostrar que el ferro pot ser magnetitzat inserint-lo en un solenoide alimentat elèctricament. Això va portar William Sturgeon a desenvolupar un electromagnet amb nucli de ferro el 1824. Joseph Henry va continuar desenvolupant l'electromagnet en un producte comercial entre 1830 i 1831, donant per primera vegada a les persones accés a camps magnètics forts. El 1831 va construir un separador de minerals amb un electromagnet capaç de sostenir 750 lliures (340 kg).
Un electroimant en la seva forma més simple, és el d'un fil conductor que ha estat enrotllat una o més vegades, aquesta configuració es denomina espira (una volta) o solenoide. Quan el corrent elèctric passa a través del fil conductor del bobinat es genera un camp magnètic que es presenta concentrat a prop de l'enrotllament (especialment al seu interior). Les seves línies de camp són molt similars a les d'un imant i la seva orientació segueix la regla de la mà dreta. El moment i el camp magnètics de l'electroimant són proporcionals al nombre de voltes del fil (també anomenades espires), a la secció de cada espira i a la densitat del corrent que passa pel fil.
Si les espires de fil conductor es fan al voltant d'un material sense propietats magnètiques especials, o a l'aire, el camp magnètic que es generarà serà força feble; però si el fil s'enrotlla al voltant d'un material ferromagnètic i paramagnètic, com podria ser un clau de ferro, el camp magnètic produït serà molt més gran, la seva força serà uns centenars de vegades superior i pot arribar a multiplicar-la per 1000.
El camp magnètic que s'observa al voltant d'un imant s'estén fins a una distància considerable en comparació a la grandària de l'imant, i segueix la llei de la inversa del cub: la intensitat del camp és inversament proporcional al cub de la distància.
Si l'electroimant es basa en una placa metàl·lica, la força necessària per separar els dos objectes serà encara més gran, ja que les dues superfícies seran planes i llises, en aquest cas hi haurà més punts de contacte i la reluctància del circuit magnètic serà menor.
Els electroimants tenen aplicacions en diverses camps, des dels acceleradors de partícules fins als motors elèctrics passant per les grues dels desballestadors de vehicles o les màquines que produeixen imatges per ressonància magnètica. També hi ha màquines més complexes en les quals no s'utilitzen els dipols magnètics simples, sinó que impliquen quatre (quadripols) o més pols magnètics; un exemple seria l'espectròmetre de massa on s'encarreguen de concentrar els feixos de partícules.
Recentment ha estat possible de produir camps magnètics de diversos milions de tesles utilitzant solenoides micromètrics a través dels quals es va fer passar un corrent de milions d'amperes utilitzant una descàrrega d'impulsos produïda amb una bateria de condensadors. La intensa força de la descàrrega duia el sistema a la implosió, destruint l'experiment en uns pocs mil·lisegons.
Descobriment Va ser Ørsted qui per primera vegada va evidenciar el 1820 que un corrent elèctric genera un camp magnètic al seu voltant. En l'interior de la matèria existeixen petits corrents tancats a causa del moviment dels electrons que contenen els àtoms, cadascun origina un imant microscòpic. Quan aquests petits imants estan orientats en totes les direccions els seus efectes s'anul·len mútuament i el material no presenta propietats magnètiques; en canvi si tots els imants s'alineen actuen com un únic imant en aquest cas la substància s'ha magnetitzat.
El primer científic que va construir un electroimant va ser el català Francesc Aragó.Electricity and magnetism: a historical perspective. Brian Baigrie. Greenwod Press. Westport, Connecticut. London. Pàgina 68.
Característiques dels imants Camp magnètic El camp magnètic (habitualment representat com a B) és el que en física s'anomena un camp perquè té un valor a cada punt de l'espai. El camp magnètic (a qualsevol punt donat) vindrà determinat per dues propietats: la seva direcció (que segueix l'orientació de l'agulla d'una brúixola) la seva magnitud (o força) que és proporcional a la força amb què l'agulla de la brúixola s'orienta en la direcció del camp.
La direcció i la magnitud són les característiques d'un vector i, per tant, B és un camp vectorial. B també pot dependre del temps.
Moment magnètic El moment magnètic d'un imant, també anomenat moment dipolar magnètic, i que és simbolitzat com a μ, és un vector que caracteritza les propietats magnètiques de qualsevol cos. Per exemple, en una barra magnètica la direcció del moment magnètic apunta del pol nord al pol sud i la seva magnitud depèn de la força dels pols i de la seva distància. En unitats del SI s'expressa en A·m².
Un imant produeix el seu camp magnètic i al mateix temps respon a altres camps magnètics, el seu camp magnètic a qualsevol punt és proporcional al valor del seu moment magnètic. Quan l'imant és dins d'un camp magnètic produït per una altra font és sotmès a un parell de forces que tendirà a orientar el moment magnètic de manera paral·lela al camp. El valor d'aquest parell de forces serà proporcional al moment magnètic i al camp extern.
Una espira amb una secció d'àrea A que és travessada per un corrent I es comportarà com un imant amb un moment magnètic que tindrà un valor igual a IA.
Magnetització