8. Magnetismo

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UN POCO DE HISTORIA

   En la Grecia antigua se descubrió un mineral con propiedades sorprendentes, las piedras de este mineral se atraían entre sí, y atraían a algunos metales como el hierro. Como se descubrió en las proximidades de la ciudad de Magnesia de Tesalia, en Grecia, recibió el nombre de magnetita, de fórmula Fe3O4. Y la propiedad que tenía para atraer a los metales del tipo del hierro se denominó magnetismo. Estos materiales con estas propiedades magnéticas también los conocemos como imanes. Hay imanes naturales como la magnetita e imanes artificiales como los que encontramos en cualquier ferretería. 

   Probablemente jugaste alguna vez ya con un imán. Son frecuentes en juguetes. Los sastres siempre tenían uno a mano para recoger los alfileres que se le caían. Pero quizá la brújula sea el objeto más ligado al imán que se conoce. En realidad es sólo una aguja imantada que gira libremente sobre su eje. Facilitó enormemente la navegación, y aún hoy es imprescindible para los marinos y exploradores.  

EL IMÁN. POLOS MAGNÉTICOS

   Los imanes son objetos con propiedades magnéticas. Pueden ser naturales, como la magnetita, o artificiales. 

   Los imanes se caracterizan por atraer a diversos metales como el hierro, o sus aleaciones con níquel, cobalto, volframio y otros metales. 

   Los imanes siempre presentan dos polos. Cuando ponemos en contacto dos imanes observamos que siempre se atraen por las mismas partes. En un imán podemos distinguir dos polos que son esas partes que se ponen en contacto cuando se atraen. Uno de los polos se llamará norte y otro de los polos se llamará sur. Siempre que dos imanes se atraen los hace el polo norte de uno con el polo sur del otro. Si forzamos a que dos polos iguales se unan notamos como se repelen intentando separarse. 

   ¿Cómo saber si un polo es el norte o el sur? Lo podemos averiguar de dos formas. Por ejemplo, si colocamos el imán sobre un corcho, y este sobre agua, observamos que el imán se mueve hasta orientarse con el magnetismo terrestre. El extremo que apunta al norte geográfico es el polo norte del imán, y el extremo que apunta al sur geográfico es el polo sur del imán. Como ves estamos utilizando nuestro imán como brújula. Otra forma de conocer los polos es acercando una brújula al imán, el polo norte de la brújula nos indicará donde está el polo sur del imán, y el polo sur de la brújula nos indicará el polo norte del imán.

Buscando los polos de un imán

   Podemos pensar que si partimos un imán por la parte intermedia de los polos se obtendría dos imanes con un solo polo, pero esto no es posible, siempre que se parte un imán se obtienen dos imanes con dos polos, norte y sur.

   ¿Cómo podemos fabricar un imán? Un imán no solo puede atraer a un trozo de acero, sino que si está en contacto con él lo puede convertir en otro imán. Para conseguirlo frotaremos por ejemplo una aguja de acero con un imán, lo haremos siempre en el mismo sentido. Podemos comprobar que la aguja se ha convertido en un imán acercándole una brújula.

LA BRÚJULA, MAGNETISMO TERRESTRE

   William Gilbert (1544-1603) fue médico inglés y uno de los primeros estudiosos del magnetismo.

William Gilbert (1544-1603)

   Descubrió que la Tierra es un imán gigante. También descubrió que un imán puede perder sus propiedades magnéticas calentándolo, así como que un imán puede aumentar su magnetismo rozándolo con otro imán, lo que se conoce como imantación por influencia.

   El magnetismo de la Tierra se debe al núcleo de hierro y níquel que hay en su interior. Este imán terrestre permite que nos orientemos en la Tierra gracias a los imanes. Para ello los imanes se deben de poder mover libremente. La brújula es simplemente una aguja imantada que se puede mover libremente. El polo norte de la brújula se orienta hacia el polo norte geográfico. Pero entonces ¿qué polo magnético hay en el norte geográfico? Tiene que ser el polo sur magnético. 

   El magnetismo de la Tierra nos protege de la radiación solar y de los rayos cósmicos como si de un escudo protector de tratase. El maravilloso fenómeno de la auroras boreales se produce al desviar el campo magnético terrestre las partículas cargadas que emite el viento solar hacia los polos.

¿Por qué se forman las auroras boreales?

Curiosidades sobre las auroras boreales

   Con la aguja que imantamos antes podemos construir una brújula colocándola en un soporte flotante , y este sobre agua, para facilitar su movimiento. Observaremos que siempre nos indica el norte.

Fabricación de una brújula

   Los imanes crean una zona que los rodea donde se pueden poner de manifiesto interacciones magnéticas, esta zona se conoce como campo magnético. Las interacciones magnéticas son más intensas en los polos que en el resto del imán. El campo magnético lo podemos visualizar acercando limaduras de hierro al imán y observaremos que éstas se orientan formando líneas que están más juntas en las proximidades de los polos.

Limaduras de hierro en un campo magnético

EL EXPERIMENTO DE OERSTED

   Los fenómenos magnéticos tienen ciertas similitudes con los fenómenos eléctricos. Por ejemplo las cargas de distinto signo se atraen, como lo hacen los polos norte y sur de dos imanes, y las cargas iguales se repelen como lo hacen los polos iguales de dos imanes. También se comprobó que la fuerza entre dos polos decrece con el cuadrado de la distancia, como lo hace la fuerza eléctrica. Parece que deben tener alguna relación, pero hay una diferencia importante entre las fuerzas eléctricas y magnéticas, ya que es posible aislar las cargas positivas y negativas, pero no podemos aislar los polos de un imán, siempre aparecen a pares, si partimos un imán siempre obtenemos dos imanes con sus dos polos norte y sur. 

   La relación entre fenómenos eléctricos y magnéticos se inicia con un experimento realizado por el danés Hans Christian Oersted (1777-1851) en 1820.

Hans Christian Oersted (1777-1851)

   Observó que si se acercaba una aguja imantada a un conductor por el que pasa una corriente la aguja se desviaba de su posición de equilibrio. También observó que al invertir el sentido de la corriente también se invertía la desviación de la aguja.

Experimento de Oersted

   Si la aguja imantada se orienta en función de que pase o no corriente significa que la corriente eléctrica debe crear un campo magnético que interacciona con la aguja. Quedaba demostrada la relación entre la interacción magnética y la corriente eléctrica.

EL ELECTROIMÁN

   Si disponemos un conductor eléctrico en forma circular, lo que se conoce como una espira, y hacemos pasar una corriente por el obtenemos una interacción magnética semejante a la de un imán, con un polo norte en un lado de la espira y un polo sur en el contrario. Si enrollamos un conductor sobre un tubo, no tendremos una espira sino muchas, al hacer pasar una corriente por el conductor el campo magnético que se crea en su interior se multiplica por el número de espiras. Si colocamos un núcleo de hierro en el interior del tubo creamos lo que se llama un electroimán. El imán que se crea es temporal, depende de que circule o no corriente por el circuito.

Fabricando un electroimán

   Los electroimanes tienen aplicación en muchos aparatos y máquinas como: motores eléctricos, dinamos, alternadores, grúas, timbres, frenos electromagnéticos, etc.

EL EXPERIMENTO DE AMPÈRE

   Si en el experimento de Oersted vimos que una corriente interaccionaba con un imán es porque la corriente eléctrica crea un campo magnético. Esto hizo pensar a André-Marie Ampère (1775-1836) que dos hilos conductores por los que pasara corriente también debían de interaccionar. Y en efecto lo hacen.

André-Marie Ampère (1775-1836)

   Ampère entendía que los fenómenos magnéticos se debían a interacciones entre corrientes eléctricas, es decir, el magnetismo se debe a la electricidad en movimiento. Creía que las propiedades magnéticas de las sustancias eran debidas a corrientes que circulaban por su interior a nivel molecular. Estas teorías no fueron reconocidas en su tiempo y tardarían en ser aceptadas.

Experimento de Ampère

   Las corrientes moleculares sabemos hoy que se deben al movimiento de los electrones alrededor del núcleo atómico. Los átomos tienen, por tanto, minúsculos imanes elementales que se denominan dipolos magnéticos.

EL EXPERIMENTO DE FARADAY

   Si la corriente eléctrica que circula por un conductor creaba un campo magnético, podemos entonces pensar que un campo magnético podría crear una corriente eléctrica. Esto mismo fue descubierto por Michael Faraday (1791-1867) en 1831. 

Michael Faraday (1791-1867)

   Comprobó que al mover un imán dentro de una espira se creaba una corriente dentro de la misma. La corriente que se produce en el circuito se llama corriente inducida, y el fenómeno por el que se induce una corriente empleando un imán se conoce como inducción electromagnética

Inducción electromagnética

   Faraday enrolló dos solenoides de alambre alrededor de un aro de hierro, si hacía pasar corriente por un solenoide otra corriente se creaba temporalmente en el otro solenoide. Observó que si se mueve un imán a través de una espira de alambre se crea una corriente en el alambre. Un campo magnético variable genera un campo eléctrico. Sus descubrimientos permitieron descubrir la dinamo eléctrica, precursora de los actuales generadores y motores eléctricos.

   Está claro que la interacción eléctrica y magnética están íntimamente relacionadas, son las caras de una misma moneda, en realidad se explican actualmente por una misma interacción electromagnética. Esta unificación se la debemos al escocés James Clerk Maxwell (1831-1879).

James Clerk Maxwell (1831-1879)

   Su teoría del electromagnetismo propuesta en 1873, es sin duda la obra más importante de la física del siglo XIX. También a él le debemos la comprensión de la luz como una onda electromagnética, y la primera fotografía en color. 

Las ecuaciones de Maxwell

LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA

  Toda la física la podemos explicar a partir de cuatro interacciones o fuerzas fundamentales.

   ¿Cuáles son estas? 

  • Fuerza gravitatoria

  • Fuerza electromagnética

  • Fuerza nuclear fuerte

  • Fuerza nuclear débil

   El curso pasado ya estudiamos algo de la fuerza gravitatoria, y este curso de la fuerza electromagnética. Las demás las estudiarás en cursos posteriores de física. Estas fuerzas son muy diferentes. Las dos primeras tienen efectos que observamos frecuentemente a nivel macroscópico, pero las fuerzas nucleares sólo se observan a las pequeñas distancias del núcleo atómico. 

   La fuerza gravitatoria es la más débil, es debida a la masa de los cuerpos y en presencia de grandes masas es muy apreciable, es la responsable del peso de los cuerpos y de mantener la estructura del Universo. En el mundo microscópico de las moléculas y átomos es tan débil que podemos prescindir de ella.

   La fuerza electromagnética es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, pero no siempre observamos sus efectos, debido a que están producidas por cargas positivas y negativas, y sus efectos se contrarrestan. Es la responsable de mantener la estructura de la materia, presentando atracciones y repulsiones de alcance infinito. Es la responsable del comportamiento de los electrones en los átomos, y de la formación de las moléculas y sustancias cristalinas.

   La fuerza nuclear fuerte, es la responsable de la estabilidad de los núcleos atómicos, mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico. Es atractiva pero no tiene un alcance superior a 10-15m. Es la fuerza fundamental más intensa que existe.

   La fuerza nuclear débil, es la responsable de algunos fenómenos radiactivos, es de un alcance muy pequeño 10-17m, y mucho más débil que la interacción nuclear fuerte.

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