FÍSICA: MAGNETISMO
Definimos
magnetismo como la propiedad
específica que presentan algunas sustancias llamadas magnéticas de atraerse o
rechazarse entre sí, es decir que se manifiesta como una forma de energía
mediante fuerzas que actúan a distancia. También consideramos magnetismo al
conjunto de fenómenos que producen estas fuerzas. Llamamos Magnetismo también, a la rama de la Física que estudia estas
fuerzas, sus causas y los fenómenos relacionados.
Los
fenómenos magnéticos se conocen desde la antigüedad. Los griegos de la época
clásica, ya sabían que en cierta región del Asia llamada Magnesia (de donde
viene el nombre) existía un mineral capaz de atraer al hierro y que este a su
vez al ser atraído adquiría la propiedad de atraer a otros.
Los
primeros registros son de Tales de Mileto, en Grecia, cerca del año 500 a.C. En
el siglo IV a.C. se menciona en un libro chino este fenómeno, y es en esta
civilización donde tiempo después se mencionará la acción de la magnetita sobre
la aguja y comenzará a usarse la brújula hacia el año 1000 de nuestra era. Se
han encontrado documentos que indican que en América, los Olmecas conocían el
magnetismo hacia el año 1000. En Europa se desarrollará el uso de la brújula hacia
el año 1200. Algunos atribuían esta propiedad a brujerías (de donde viene el
nombre de brújula) y otros pensaban en la existencia de una gran montaña de
hierro en el polo norte que inclusive llegó a dibujarse en algunos mapas de la
época. Cristóbal Colón, en su viaje a América registraría por primera vez la
declinación magnética de la brújula que es la desviación de la misma con
respecto al norte geográfico.
Hacia
fines del siglo XVIII, Charles Coulomb, un científico francés realizó los
primeros estudios científicos sobre los imanes y el campo magnético, llegando a
descubrir la ley fundamental del magnetismo que lleva su nombre. Ya en el siglo
XIX, Christian Ørsted, científico danés, descubrió que una corriente eléctrica
es capaz de producir un campo magnético y comenzó así una serie de descubrimientos
y desarrollos tecnológicos basados en la relación entre la electricidad y el
magnetismo.
Se
llama imán a cualquier sustancia o
cuerpo que tenga la propiedad magnética. Existen imanes naturales como la
magnetita que es un óxido de hierro (Fe3O4) y otros
artificiales obtenidos con diferentes materiales y por diferentes métodos de
imantación, como la inducción magnética, el frotamiento con un imán o por la
acción de la corriente eléctrica. A los imanes comerciales se les da la forma
más adecuada a su uso como cilindros, barras, botones, cintas, aros, discos y
la clásica herradura.
Los
imanes tienen siempre dos polos
magnéticos, que son las zonas del imán donde la intensidad de las fuerzas
magnéticas es mayor o expresado más correctamente donde existe una mayor
concentración de líneas de fuerza. Estos polos se designan, al igual que los
geográficos, como Norte y Sur y se encuentran cercanos a los extremos del imán.
Polos de igual nombre se rechazan y de diferente nombre se atraen.
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| Espectro magnético. Wikipedia |
Se
llama campo magnético a la zona del
espacio que rodea al imán donde este manifiesta su acción magnética. Es un
campo de fuerzas a distancia que se hace visible mediante un espectro magnético
y en el cual pueden apreciarse entonces las líneas de fuerzas.
Se
llama espectro magnético a la
representación del campo de un imán que se logra generalmente esparciendo
limaduras finas de hierro sobre una lámina no magnética colocada sobre el imán.
Se llaman
líneas de fuerza del campo magnético
a la trayectoria imaginaria que seguiría un polo norte aislado si se lo libera
dentro del campo magnético. Estas líneas de fuerza son apreciables en el
espectro magnético. Una aguja imantada colocada en el campo se orientará tangente
a la línea de fuerza que pasa por ese lugar. Por convenio se considera entonces
que una línea de fuerza sale del polo norte y se dirige al polo sur.
Se
llama línea o zona neutral a la
línea central, equidistante de ambos polos donde la acción magnética es mínima.
Se
llama imantación o magnetización, al
fenómeno en el que un cuerpo se transforma artificialmente en un imán. Este
proceso puede producirse por inducción, frotamiento o electromagnetismo.
Se
llama inducción magnética al
fenómeno por el que un material, por el sólo hecho de estar inmerso en un campo
magnético, o en las cercanías de un imán, se magnetiza.
Se
llaman fuerzas magnéticas a las
fuerzas de atracción o de repulsión entre dos imanes.
Se
llama energía magnética a la energía
potencial o cinética que tiene un cuerpo al ser atraído o movido por las fuerzas
magnéticas.
MATERIALES MAGNÉTICOS:
Casi
todos los materiales, en mayor o menor medida, pueden ser influenciados por un
campo magnético, sin embargo existen algunas diferencias notables que nos
permiten clasificarlos en tres grandes grupos.
Se
llama permeabilidad magnética a la
propiedad que tienen las sustancias de dejarse atravesar por las líneas de
fuerza de un campo magnético. De acuerdo con esta propiedad las sustancias
pueden ser: Ferromagnéticas, las que
tienen permeabilidad alta y por lo tanto son fácilmente atravesadas por las
líneas de fuerza, estas sustancias son fuertemente atraídas por el imán, el
ejemplo más claro es el hierro, de donde deriva su nombre. Paramagnéticas,
las que tienen permeabilidad similar al vacío (aproximadamente 1) y ejercen muy
poca influencia sobre las líneas de fuerza de campo, en general nos parecerá
que el imán no las atrae, son ejemplos comunes el vidrio, el agua, el aluminio,
etc. Diamagnéticas, cuando la permeabilidad es menor que 1 y por lo
tanto se resisten a ser atravesadas por el campo, tienden a orientarse
transversales a las líneas de fuerza aunque en general este efecto es poco
perceptible, son ejemplos comunes el bismuto y los metales del grupo 11 de la
Tabla Periódica: oro, plata, cobre.
TEORÍA DE LOS IMANES MOLECULARES O DOMINIOS
MAGNÉTICOS
Los
polos de un imán no se pueden separar, si dividimos un imán, en la fractura se
formarán dos nuevos polos opuestos, el imán más chico es un dipolo siempre.
Hoy
se sabe que los electrones periféricos de los átomos rotan y generan un campo
magnético propio. Este campo puede estar compensado o no por el de otros
electrones cercanos, cuando no lo está, el átomo será magnético. Estos átomos
tienden a unirse con otros cercanos en la misma orientación magnética. Se llama
dominio magnético a este conjunto de dipolos atómicos permanentes orientados en
la misma dirección. Estos dominios están generalmente dispuestos de forma
aleatoria y por lo tanto el cuerpo resultante no es un imán, pero si se ordenan
todos con sus polos iguales hacia el mismo lado, el conjunto tendrá una
polaridad marcada y será un imán. En el caso de los imanes naturales como la
magnetita, se entiende que estos dominios se fueron orientando según el campo
magnético terrestre mientras la lava volcánica originaria se iba solidificando.
Los materiales ferromagnéticos son los que presentan dominios magnéticos
fáciles de ordenar por acción de un campo externo y en esto consiste la
imantación por inducción.
LEY DE COULOMB PARA EL MAGNETISMO
Estudiando
las fuerzas entre cargas eléctricas, Charles Coulomb realizó mediciones
precisas con una balanza de torsión hasta encontrar la relación entre las
fuerzas de atracción y repulsión y la cantidad de carga eléctrica de los
cuerpos y expresó esta relación en la ley que lleva su nombre y que
estudiaremos en el capítulo correspondiente a la Electrostática. Esta ley se
hizo extensiva a las atracciones magnéticas haciéndose necesario definir el
concepto de masa magnética, similar al de carga eléctrica.
La masa magnética es la magnitud que
expresa la cantidad de magnetismo que tiene un cuerpo.
De
acuerdo con este concepto, la ley de Coulomb para fuerzas magnéticas sostiene
que : “La fuerza de atracción o de repulsión entre dos masas magnéticas es
directamente proporcional al producto de esas masas e inversamente proporcional
al cuadrado de la distancia que las separa.”
En símbolos:
En
donde m1 y m2 son las masas magnéticas
que se atraen y d es la distancia
entre ellas. k es una constante que
depende de la permeabilidad del medio; k = 1 para el vacío en el sistema
internacional de unidades.
MAGETISMO TERRESTRE
La
tierra es un gran imán y como tal, tiene dos polos y un campo magnético con
líneas de fuerza que la rodean.
Los
polos magnéticos terrestres no coinciden con los polos geográficos, sino que se
encuentran a más de 1000 km de distancia y a cierta profundidad bajo la
superficie. Además por algunas razones históricas, sus nombres están
invertidos, es decir que, cercano al polo norte geográfico se encuentra en
realidad el polo sur magnético, porque se llama polo norte de la brújula, al
que indica hacia el norte geográfico, y sabemos que debe ser atraído por el
polo opuesto. De la misma manera, el polo norte magnético es el que se
encuentra cercano al polo sur geográfico.
Las
líneas de fuerza del campo magnético terrestre rodean a la Tierra y pueden
interactuar con partículas eléctricas que llegan desde el sol, desviándolas
hacia los polos donde se producen las Auroras boreales y australes. Algunas
aves migratorias pueden orientarse en sus vuelos por estas líneas de fuerza,
pero la manifestación más conocida de este campo es la orientación de la
brújula.
La
brújula o compás magnético está compuesta básicamente por una aguja imantada
que puede girar sobre un eje vertical y se orienta en el campo magnético
terrestre. Esta aguja viene montada en cajas especiales que llevan adosada la
Rosa de los Vientos con los puntos cardinales. Los compases de navegación
tienen suspensión cardánica, lo que significa que pueden girar libremente sobre
tres ejes en cualquier dirección. La brújula se orienta tangencialmente a las
líneas de fuerza del campo magnético que en la mayor parte del planeta es
aproximada a la dirección del meridiano del lugar. Sin embargo el campo
magnético terrestre no es uniforme ni permanente, sino que tiene alteraciones
de distinto tipo:
- Las
alteraciones seculares tienen que
ver con el lento corrimiento de los polos magnéticos terrestres que se
desplazan actualmente a razón de uno 40 km por año.
- Las
inversiones tienen que ver con
largos períodos de tiempo (cientos de miles de años) durante los cuales el
campo disminuye de intensidad hasta desaparecer y luego volver a aparecer
invertido. la última inversión se produjo hace 780.000 años.
Las alteraciones temporales tienen relación
con las tormentas solares que influyen notablemente sobre el campo magnético
terrestre cuando se producen.
Las alteraciones locales tienen relación
con depósitos de minerales magnéticos en una determinada región que alteran el
campo en ese lugar.
La
brújula presente entonces dos desviaciones que deben tenerse en cuenta: la
inclinación y la declinación. La inclinación
magnética es el ángulo que forma la brújula con la línea horizontal del
lugar y se debe a la profundidad de los polos magnéticos bajo la superficie
terrestre, que hace que, en el hemisferio norte la punta de la brújula tienda a
inclinarse hacia abajo y en el hemisferio sur hacia arriba. Sólo en el ecuador
magnético, que se encuentra próximo al ecuador geográfico, la brújula se
mantiene perfectamente horizontal; en los polos magnéticos la inclinación de la
brújula es de 90º, es decir que adquiere un aposición vertical. La declinación magnética es el ángulo que
forma la brújula con el meridiano geográfico del lugar y se debe a que los
polos magnéticos no coinciden con los polos geográficos. Esta declinación está
tabulada en tablas de navegación para cada región del planeta, pero varía con
los años. El ángulo de declinación puede variar desde 0º en las zonas que son agónicas,
es decir que el meridiano geográfico coincide con las líneas de fuerza del
campo magnético, hasta 180 º en las zonas cercanas a los polos donde la brújula
pierde su efectividad.
