El Hombre sin Sombra: Electroimanes

Ayer pusieron en la tele, El Hombre sin Sombra, una de esas películas que es una auténtico filón para este blog. Había una escena en la que la chica protagonista es encerrada en una cámara frigorífica por el maniaco hombre invisible. Para escapar, la chica enrosca los cables de un desfibrilador alrededor de una manilla de puerta para hacer un electroimán. Después, apoya el improvisado invento para atraer la barra metálica que cierra la puerta, y comienza a moverla, hasta que consigue abrir el cierre.

Empezemos. Un campo magnético se produce por el movimiento de cargas eléctricas, por lo que la simple presencia de una corriente eléctrica, crea un campo magnético. El flujo del campo es perpendicular a la dirección de la corriente, por lo que si enroscamos un cable en torno a un cilindro (real o imaginario), obtendremos un campo magnético cuyas líneas de flujo siguen la dirección del cilindro. Esto es lo que se conoce como solenoide.

Entonces ¿no hace falta enroscar el cable alrededor de algo? Para obtener un campo magnético no. Lo que ocurre es que el campo tiene más intensidad si colocamos un material paramagnético o ferromagnético en el interior del solenoide. ¿Lo cualo? A ver, los materiales con propiedades magnéticas, se clasifican en tres tipos: ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos. Estos materiales están formados por moléculas que se comportan como dipolos magnéticos, es decir, cada molécula sería como un pequeñísimo imán. Normalmente las moléculas no están alineadas y se orientan de forma aleatoria, de forma que muchas de ellas se cancelan entre sí, y globalmente no hay campo magnético. Pero en presencia de un campo magnético externo, los dipolos tienden a alinearse según el campo, de forma que los pequeñísimos campos magnéticos se suman entre sí, creando un campo magnético apreciable en el exterior.

Esto es lo que tienen en común. Ahora explicaré en qué se diferencian. Un material diamagnético, genera un campo magnético opuesto al externo, y es repelido por éste. Esto tiene su utilidad en algunas áreas, ya que podríamos hacer levitar un material así, aplicándole un campo magnético suficientemente intenso, debajo de él. Pero no es lo más adecuado para un electroimán, ya que al crear un campo opuesto, el resultado final es que ambos campos se restan, y obtendremos un campo magnético resultante de menor intensidad que con el cable a pelo. Un ejemplo de material diamagnético es la plata.

Un material paramagnético genera un campo magnético a favor del campo externo, por lo que ambos campos se suman, y la intensidad del campo magnético resultante es mayor. Estos materiales sí serían adecuados para un electroimán. Un ejemplo de material paramagnético es el aluminio.

Un material ferromagnético es muy parecido a uno paramagnético, pero en este caso los dipolos magnéticos están fuertemente acoplados entre sí, y el campo magnético generado es mucho mayor. De hecho, pueden existir alineamientos importantes sin necesidad de un campo externo, como sucede en los imanes. Esto hace que el campo magnético creado sea mucho mayor que en el caso de un material paramagnético, por lo que sería nuestro material ideal si queremos un campo intenso, con una corriente eléctrica baja. Un ejemplo de material ferromagnético es el hierro.

Así que de momento, no hay problema. La manilla podría ser de cualquier material, si bien, a menos que sea ferromagnética, se necesitaría una corriente muy alta para generar un campo magnético como el que se ve en la peli (la manilla are atraída con mucha fuerza). Pero tenemos otros problemas.

Veamos, la intensidad de corriente eléctrica viene determinada por el voltaje aplicado al circuito y su resistencia eléctrica. Si recordamos los conceptos básicos de electricidad que nos enseñaron en el colegio, nos sonará la Ley de Ohm, que nos dice que la intensidad de corriente es igual a la diferencia de potencial eléctrico dividido entre la resistencia eléctrica, es decir, I=V/R. Un cable tiene muy poca resistencia eléctrica. De hecho se suelen hacer de cobre, o aleaciones de cobre, buscando precisamente una baja resistencia. Si unimos los dos extremos de cualquier fuente de tensión eléctrica, mediante un cable, sin nada más, estamos cortocircuitándola. Tendríamos un circuito con una resistencia eléctrica muy baja: la del cable, y la de la propia fuente de alimentación. Con una pila de 1,5 voltios no habría demasiado problema, y suele ser una buena opción para pequeños experimentos caseros (o fabricarse una brújula en un momento de necesidad). Pero con una batería de 12 V, como la de un coche, ya empiezan a salir chispas. Lo comprobé experimentalmente hace muchos años, uniendo de forma inconsciente las pinzas metálicas de dos cables, cuyos extremos estaban conectados a los bornes de la batería de un coche (quería arrancar otro coche que se había quedado sin batería). El susto fue morrocotudo, y quedó una marca negra de quemadura en el punto de contacto entre las pinzas.

Un desfibrilador genera tensiones de algunos centenares de voltios, por lo que juntando los cables de las placas que se aplican sobre el paciente, se produciría una corriente enorme. ¿Y cuál es el problema? ¿No es eso lo que buscamos? Sí, pero esa corriente no circula sólo por el cable externo, sino por el interior del aparato, y podríamos quemarlo, a menos que tenga algún tipo de limitador de corriente como protección. Es cierto que el voltaje proporcionado se puede modificar fácilmente, ya que para conseguir la desfibrilación, es necesario que circule una corriente de intensidad muy concreta por el corazón del paciente, y dependiendo de la persona y la situación, la resistencia eléctrica puede variar mucho. Pero no creo que un desfibrilador pueda ajustarse a una tensión de unos pocos voltios (¿hay algún médico presente?). Además, en la película, la chica no parece que intente ajustar la tensión. Pulsa un botón y ya está.

Por otro lado, existe otro problema al utilizar un desfibrilador, ya que normalmente no está diseñado para producir una corriente constante. El diseño convencional de un desfibrilador consiste en un condensador de bastante capacidad, que almacena carga eléctrica. La descarga eléctrica se produce precisamente mediante la descarga del condensador, y dura unos instantes. Para realizar una nueva descarga, es necesario cargar nuevamente el condensador. Supongo que habréis visto películas o series de TV en las que se utilizan estos aparatos. Tras una descarga, se suele oir a alguien decir cargando mientras se escucha un zumbido parecido al de un flash fotográfico cargándose. Por tanto, un desfibrilador no puede darnos una corriente de forma constante, sino pulsos de corta duración, con algunos segundos de espera entre cada pulso. El electroimán sólo generaría un campo magnético durante el breve tiempo de la descarga, y no de forma constante como vemos en la película.

Y llegamos al final. Suponiendo que pese a todo, tenemos un electroimán que funciona de manera continua, y con la intensidad adecuada, hay otro problema más. En la película vemos que tanto la puerta como el pasador son atraídos por el electroimán. Esto quiere decir que tanto la puerta como el pasador, están hechos de materiales ferromagnéticos. En estas circunstancias, al mover el electroimán, no se movería el pasador. ¿Por qué? Veamos, el electroimán se pega fuertemente a la puerta. Esa región de la puerta se magnetiza en presencia del campo magnético del electroimán, y atrae el pasador. Es importante darse cuenta de esto: el pasador no es atraido por el campo magnético del electroimán, sino por el de la puerta.

Es algo parecido a lo que ocurre si jugáis con un imán y algunos clips o agujas. Si un clip se pega al imán, puedes utilizar el extremo opuesto del clip para atraer a otro. Se puede formar una pequeña cadena de varios clips de esta manera. Si quitáis el que está más cerca del imán, el resto se separará, y no serán atraidos por el imán. Están demasiado lejos de éste, por lo que es fácil entender que antes estaban siendo atraidos por el clip contiguo, y no directamente por el imán.

Por tanto, si movemos el electroimán por la puerta, lo que hacemos es magnetizar diferentes regiones, pero el pasador no seguirá los movimientos del electroimán, ya que en realidad está siendo atraido por la puerta. Esto es algo que podéis comprobar en casa fácilmente si tenéis imanes en la cocina, de esos que se utilizan para sujetar notas y fotos en la nevera. Yo lo hice con un imán, dos cuchillos y una cuchara. A pesar de pertenecer a la misma cubertería, la cuchara no era ferromagnética, y los cuchillos sí (algo fácilmente comprobable acercando el imán, y observando si el cubierto es atraido o no). Colocando el mango de la cuchara entre el imán y uno de los cuchillos, al mover el imán el cuchillo intentaba seguir el movimiento de aquél. Pero si lo que colocaba en medio era el otro cuchillo, el primero dejaba de seguir los movimientos del imán.

Para ser justos, hay que decir que en esta secuencia, existe una pequeña posibilidad de que todo funcione. Tal vez la chica cacharreó con el desfibrilador y conectó los cables directamente a la fuente de alimentación (aunque esto no se ve en la peli). Tal vez incluso ajustó la tensión de alguna manera, o la fuente de alimentación tenía un limitador de corriente. Y tal vez el pasador era ferromagnético pero la puerta no, y que el campo magnético era tan potente que se pegaba con fuerza al pasador, a través de una puerta tan gruesa (aunque creo recordar que el electroimán se pegaba con fuerza a la puerta, antes de mostrarnos cómo el pasador era también atraido). Tal vez...