Misterios Magnéticos

Hola a todos, estimados colegas y amigos de STEEMIT. Como docente e investigador, formador de Físicos e Ingenieros, siempre me he propuesto indagar las formas y estrategias para facilitar la comprensión de los conceptos básicos de la Física y la Ciencia en general. Comúnmente presenciamos ciertos eventos, que, aún formando parte de nuestro entorno nos asombran la mente y despiertan la imaginación. Tal es el caso de los fenómenos de origen magnético: ¿Qué niño no se ha maravillado cuando observa las limaduras de hierro formando líneas en presencia de un imán? ¿Quién no se ha preguntado alguna vez porqué se mueven las agujas de la brújula? ¿Porqué los imanes tienen polos?

Nos hemos propuesto entonces, inaugurar con éste “post”, la serie “MISTERIOS MAGNÉTICOS”, con el objetivo de explicar de manera simple, así como didáctica, los conceptos y fenómenos del magnetismo y los materiales magnéticos, para dar respuesta a estas y otras preguntas.

En esta primera parte me concentro en los conceptos más básicos de los polos magnéticos, los imanes y uno de los grandes inventos científicos de la humanidad: la brújula. Espero que les guste y puedan aprovechar la lectura. Con la finalidad de hacer este proyecto más interactivo, les agradezco dejarme sus inquietudes y preguntas en un REPLAY, y así darles respuesta.

Se preguntarán cómo conseguí esa configuración de corta distancia entre ellos y que no se atraigan. Simple: están colocados con los polos norte y sur alternados, y a una distancia tal que se repelen y mantienen esa configuración estática…

*Todas las figuras presentadas en éste artículo son de mi propiedad. Las fotografías fueron tomadas con un dispositivo digital: CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels

El magnetismo es un fenómeno de origen microscópico (atómico) pero con manifestación física macroscópica. Su entendimiento es de vital importancia ya que, después de la industria semiconductora ocupa el segundo lugar en el mercado de materiales. En este punto entramos en una complicación fundamental: la interpretación del fenómeno magnético. Existen tres “visiones” para la interpretación teórica del magnetismo:

1. Polos magnéticos

2. Corrientes eléctricas

3. Momento angular electrónico o “espin”

Cada una de estas formas de ver el magnetismo conlleva a diferentes ecuaciones e interpretaciones y por lo tanto a diferentes parámetros, lo que incide a su vez en los sistemas de unidades. Por ejemplo, el término “Momento angular” está relacionado con una propiedad mecánica, mientras que “Corriente” a una propiedad eléctrica de la materia. Así mismo el concepto de “polo magnético” involucra aspectos mecánicos y electrónicos. En la literatura especializada encontramos el uso del sistema SI (sistema internacional) para describir las propiedades magnéticas en términos de la corriente, mientras que el sistema CGS en los modelos basados en el polo magnético.

Como veremos más adelante, el “polo magnético” tiene su origen macroscópico en la “corriente electrónica”, por lo que se facilita la comprensión del fenómeno y aclara las confusiones temáticas. Para lograr este objetivo es necesario conocer algo de la historia del magnetismo y algunas generalidades sobre un material magnético. Finalmente, acompañando a los polos magnéticos aparece la brújula como dispositivo tecnológico de su época y el descubrimiento de los polos magnéticos terrestres.

… VIAJEN CONMIGO POR EL MUNDO DEL MAGNETISMO…

El magnetismo es un fenómeno de origen microscópico (atómico) pero con manifestación física macroscópica. Su entendimiento es de vital importancia ya que, después de la industria semiconductora ocupa el segundo lugar en el mercado de materiales. En este punto entramos en una complicación fundamental: la interpretación del fenómeno magnético. Existen tres “visiones” para la interpretación teórica del magnetismo:

Comenzando por su propia denominación. Las palabras: “magnetismo” y “magneto”, derivan del nombre de la ciudad de Magnesia de Tesalia, donde según Tales de Mileto (filósofo y matemático griego, 625-546 A. C.), se descubrió un material en forma de roca, color gris oscuro, que tenía la propiedad de atraer al hierro. A esta roca se la denominó “magnetita”. La magnetita es una forma de óxido de hierro con fórmula química Fe₃O₄ y es el único mineral que puede encontrarse en estado magnético en forma nativa. Y contrariamente a lo que se puede pensar, es un material ferri-magnético y no ferro-magnético. Por otro lado, la palabra “Imán” que usamos en español como sinónimo de “magneto”, es un francecismo derivado de la palabra “aimant” que significa amante, atracción.

Sócrates (filósofo griego, fundador de la ciencia occidental. 470-339 A. C.), también se refirió a esta piedra extraña cuando describió un fenómeno en el cual, luego de frotar un pedazo de hierro, este adoptaba la propiedad de atraer otros objetos. Este fenómeno fue luego denominado Ley de Inducción Magnética y fue explicado experimentalmente siglos después por Michael Faraday (1791-1867), y su teoría consolidada por J. C. Maxwell (1831-1879), con sus famosas ecuaciones del electromagnetismo.

A los chinos se les acredita la invención de la brújula cuando observaron que un pedazo de magnetita flotando en un líquido, se alineaba siempre en la misma dirección. Los primeros reportes conocidos sobre cómo una aguja magnetizada podía ser utilizada para determinar una dirección geográfica determinada, provienen de los escritores chinos Shen Kua y Chu Yu, entre 1000-1200. Independientemente y a miles de kilómetros de distancia, un monje Inglés, llamado Alexander Neckam (1157-1217), escribe sobre el efecto de la aguja magnética. Este hecho histórico ha dado motivos a los filósofos y científicos para creer que los fenómenos magnéticos se han estado observando de manera simultánea e independiente a lo largo del tiempo y localidad geográfica.

Siguiendo con nuestro viaje por la historia, nos encontramos con el Navegante y escritor francés Petrus Peregrinus de Maricourt en su obra clásica “Epistola de magnete”, ó “Carta sobre el Magneto (1269), describe de manera detallada la fenomenología de la aguja flotante y las leyes de la atracción/repulsión magnética. Maricourt también diseño la versión brújula pivotante, la antecesora de la brújula moderna. Pero quizás el mayor impacto de su trabajo es que logró identificar los polos de un imán. El experimento es considerado un clásico del magnetismo, y consiste en explorar la superficie de una esfera de magnetita con la punta de una aguja de hierro suspendida. Encontró que cuando la aguja tocaba ciertos puntos ésta se alineaba en la dirección radial. Maricourt marcó estos puntos y repitió sucesivamente el experimento. Notó que los puntos seguían líneas que se interceptaban en polos extremos de la esfera, tal cual lo hacen los paralelos terrestres. Llamó a estos puntos de intercepción “polo norte y polo sur magnéticos”. Este evento marcó el inicio de la ciencia llamada “geo-magnetismo”.

Figura 1. Versión del experimento de Maricourt. La aguja suspendida se orienta completamente a lo largo de líneas magnéticas. Cada punto es marcado hasta obtener las líneas. (Fotografía propiedad del Autor: tomada con una cámara digital CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels)

El trabajo de Maricourt, inconcluso, dejó muchas incógnitas en cuanto al origen de las líneas de campo y polos magnéticos. Después de esto, no se registran reportes de progreso científico en el área del magnetismo, en los siguientes 300 años. Quedando la esencia del magnetismo en “misterio”. A partir de aquí todo el esfuerzo de los investigadores se centró en la investigación de los fenómenos electrostáticos. A pesar que el magnetismo es un fenómeno cotidiano, cualquier definición por simple que nos parezca no será satisfactoria. Esto es porque no somos capaces de reconocer sus efectos, ya que son invisibles ante nuestros sentidos más sensibles.

Para tener idea sobre qué “cosa” es el magnetismo, debemos identificar los eventos más importantes, algunos de los cuales, en mi opinión impulsaron la investigación teórica y experimental en electromagnetismo. A continuación mi versión sobre los tres (03) eventos históricos que resaltan en la definición de “imán y polo magnético”:

1. William Gilbert (1540-1603). Continuando con el trabajo de Maricourt, idealizó cómo los polos terrestres eran equivalentes a los polos magnéticos (De Magnet). De acuerdo con el trabajo de Gilbert, todo material magnético tenía polos magnéticos inherentes e inseparables. Este descubrimiento es considerado uno de los más significativos de su época, y aún es motivo de debate: ¿es posible separar los polos magnéticos? ¿la existencia de polos magnéticos es una propiedad intrínseca de la materia? ¿Son equivalentes los polos geográficos y los magnéticos?

2. Ley de los polos magnéticos. John Michell (1724-1793) científico inglés, y poco mencionado en los cursos de magnetismo (les apuesto que no sabían de su existencia), estableció en 1750 que cuando dos polos magnéticos se encuentran separados a una distancia determinada existe una fuerza entre ellos,

inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Esta es la Ley de los polos magnéticos, y es equivalente a la Ley de Coulomb en electrostática. Encontró que la fuerza es repulsiva (+) si los polos son iguales y atractiva (-) si los polos son diferentes.

1. El momento magnético. Quizás la primera descripción consistente de un material magnético, y por ende de un imán, se debe a André-Marie Ampère (1775-1836). No se puede hablar de Ampère sin hacer mención a un notorio avance científico para su época, un concepto íntimamente ligado a los polos magnéticos y al que todo físico profesional que se dedica a este oficio del magnetismo debe tener en su vocabulario:

Idealizó entonces que todo material magnético estaba constituido por corrientes microscópicas cerradas, con momento magnético asociado,

Figura 2. Idealización de Ampère de un material magnético. Las micro-corrientes cerradas, crean pequeños imanes (Figura propiedad del Autor)

La Tierra tiene un polo norte y un polo sur geográficos donde se intersectan las líneas imaginarias llamadas meridianos. Es achatada en los polos, y su eje de rotación está inclinado, aproximadamente 30˚ con respecto al polo norte imaginario. Esta inclinación se debe principalmente a la interacción gravitacional con otros planetas y La Luna, además del movimiento de traslación alrededor del Sol. Como consecuencia, La Tierra no solo rota alrededor de su eje, sino también ejecuta una precesión como un trompo en un ángulo de aproximadamente 45˚. Tanto la rotación como la precesión terrestre ocurre en sentido anti-horario, es decir de Oeste a Este. Así mismo, nuestro planeta es un imán gigante, con polos norte y sur magnéticos, tal como lo idealizó Ampère. Sin embargo, cuando usamos una brújula para orientarnos, la aguja no apunta en la dirección de los polos geográficos, sino más bien, en la dirección de los polos magnéticos:

La Tierra no es un cuerpo completamente sólido, sino tiene un núcleo constituido por un núcleo sólido de Fe, envuelto en una masa fluida de Fe-Si. Estos núcleos de hierro también se mueven siguiendo los movimientos de La Tierra. Este es el origen del magnetismo terrestre:

Sin embargo el movimiento de rotación del núcleo no es exactamente similar al terrestre, ya que, debido a la inercia entre la masa de hierro fluido y el núcleo sólido se inducen corrientes en direcciones opuestas al movimiento de La Tierra, y como consequencia se produce una corriente resultante cuyo eje magnético está desviado con relación al eje de La Tierra aproximadamente 10˚. En la Figura siguiente se esquematiza el proceso de inclinación del eje magnético terrestre.

Figura 3. Esquematización gráfica del proceso de rotación del núcleo de hierro de La Tierra. Debido a la inercia entre el fluido y el núcleo sólido, se crean corrientes circulando en sentidos opuestos, y como consecuencia un eje magnético desviado del eje de rotación (Figura propiedad del Autor).

En este “post” hemos repasado un par de conceptos esenciales en la física del magnetismo: a) polos magnéticos y b) momento magnético. Sin dejar de comentar la esencia de los imanes, y por supuesto, la existencia de los polos magnéticos terrestres.

En nuestra historia creamos una brecha conceptual, cuando obviamos ciertos eventos tales como, los experimentos de Oersted, Biot y Savart, Faraday, Lenz, entre otros. Así como el nacimiento del concepto de momento angular electrónico, esencial en la teoría microscópica del magnetismo. Estos serán objetivos de discusión en próximos artículos.

1. E. W. Lee, Magnetism: an introductory survey, DOVER Pub. Inc, NY (1970)

2. Guillermo Heyaca Verela, Energía de los Campos Magnéticos, Eds. Nueva Librería, Buenos Aires (1980)

3. Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, Wiley, Sixth Ed. (1986)

4. Nicola Spaldin, Magnetic Materials: Fundamentals and Device Applications, Cambrigde University Press (2003)

5. William Gilbert, De Magnet, DOVER Pub. Inc. NY (1991).

6. Rebecca Carmi, Amazing Magnetism: Magic School Bus Chapter # 12, Scholastic Inc. (2001)

7. Stephen J. Blundell, Magnetism: A very short introduction, Oxford University Press (2012)