Magnetismo

Líneas de fuerza magnéticas de un imán de barra, producidas por limaduras de hierro sobre papel.

En física, el magnetismo es un fenómeno por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión a otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro y sus aleaciones que comúnmente se llaman (imanes). Sin embargo todos los materiales son influenciados, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

También el magnetismo tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de la onda electromagnética, como por ejemplo la luz.

Pequeña explicación del magnetismo

Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán (véase Momento dipolar magnético electrónico). Ordinariamente, innumerables electrones de un material son orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, sin dejar efecto promedio, pero en un imán todos los electrones se tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética.

Historia

El primer que estudio el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que vivió entre 625 a.n.e. y 545 a.n.e. ​. En China, la primera referencia a este fenómeno se encuentra en un manuscrito del siglo IV adC titulado Libro del amo del valle del diablo (鬼谷子): «La magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por éste» ​. La primera mención sobre la atracción de una aguja aparece en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 de nuestra era: «La magnetita atrae a la aguja».

El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética y mejoró la precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el siglo XII los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Alexander Neckham fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta técnica, en 1187.

El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que en 1820, Hans Christian Ørsted profesor de la Universidad de Copenhage, descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja magnética situada en ese entorno.​. Muchos otros experimentos siguieron, con André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday y otros que encontraron vínculos entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y explicó estas observaciones en sus ecuaciones de Maxwell. Unificó la electricidad, el magnetismo y la electricidad en un solo campo, el electromagnetismo. En 1905, Einstein uso estas leyes para comprobar su teoría de la relatividad especial​, en el proceso mostró que la electricidad y el magnetismo estaban fundamentalmente vinculadas.

El Electromagnetismo continuó desarrollándose en el siglo XX, siendo incorporada en las teorías mas fundamentales como la Teoría de campo de gauge, electrodinámica cuántica, teoría electrodébil y finalmente en el modelo estándar.

La física del magnetismo

Magnetismo, electricidad y relatividad especial

Como consecuencia de la teoría de la relatividad especial de Einstein, la electricidad y el magnetismo estaban comprendidas como vinculantes. Tanto el magnetismo sin la electricidad como la electricidad sin magnetismo serían inconsistentes con la nueva teoría por los efectos como la contracción de la longitud, la dilatación del tiempo y la dependencia de la velocidad en el campo magnetico. Sin embargo cuando ambas fueron tomadas en cuenta, la reciente teoría del electromagnetismo fue totalmente consistente con la relatividad​. En particular, un fenómeno que parece como electrico para un observador puede parecer magnético para otro, o mas generalmente las contribuciones generales de la electricidad y el magnetismo son dependientes del marco de referencia.

Entonces, la "mezcla" de la relatividad especial entre electricidad y magnetismo en una sola dio un fenomeno inseparable llamado electromagnetismo (analogo a lo que la misma teoria "mezclo" al tiempo con el espacio en el espacio-tiempo).

Campos y fuerzas magneticas

El fenómeno del magnetismo es ejercido por un campo magnético, p.e. una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, éste al girar imparte una fuerza magnética a otras particulas que estan en el campo.

Para una aproximación excelente (pero ignorando algunos efectos cuánticos (véase electrodinámica cuántica) las ecuaciones de Maxwell (que simplifican la ley de Biot-Savart en el caso de corriente constante) describen el origen y el comportamiento de los campos que gobiernan esas fuerzas. Por lo tanto el magnetismo se observa siempre que partículas cargadas electricamente estan en movimiento. Por ejemplo, del movimiento de electrones en una corriente eléctrica o en casos del movimiento orbital de los eletrones alrededor del nucleo atómico. Estas tambien aparecen de un dipolo magnético intrinseco que aparece de los efetos cuánticos, p.e. del spin de la mecanica cuántica.

La misma situacion que crea campos magneticos (carga en movimiento en una corriente o en un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son tambien situaciones en que el campo magnético causa sus efectos, creando una fuerza. Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B, se ejerce una fuerza F dado por el producto cruz:

${\vec {F}}=q{\vec {v}}\times {\vec {B}}$

donde $q\,$ es la carga eléctrica de la partícula, ${\vec {v}}\,$ es la vector velocidad de la partícula y ${\vec {B}}\,$ es el campo magnético. Debido a que esto es un producto cruz, la fuerza es perpendicular al movimiento de la partícula y al campo magnético.

La fuerza magnética no realiza trabajo mecánico en la partícula, esto cambiaría la dirección del movimiento de ésta, pero esto no causa su aumento o disminucion de la velocidad. La magnitud de la fuerza es :$F=qvB\sin \theta \,$ donde $\theta \,$ es el ángulo entre los vectores ${\vec {v}}\,$ y ${\vec {B}}\,$.`

Una herramienta para determinar la dirección del vector velocidad de una carga en movimiento, es siguiendo la ley de la mano derecha (véase Regla de la mano derecha).

El físico alemán Heinrich Lenz formulo lo que ahora se denomina la ley de Lenz, ésta da una direccion de la fuerza electromotriz (fem) y la corriente resultante de una induccion electromagnética.

Dipolos magnéticos

Se puede ver una muy comun fuente de campo magnético en la naturaleza, un dipolo. Éste tiene un "polo sur" y un "polo norte", sus nombres se deben a que antes se usaban los magnetos como compáses, que interactuaban con el campo magnético terrestre, para indicar el norte y el sur del globo.

Un campo magnético contiene energía y sistemas físicos se estabilizan con configuraciones de menor energía. Por lo tanto, cuando se encuentra en un campo magnético, un dipolo magnético tiende a alinearse solo con una polaridad diferente a la del campo, lo que cancela al campo lo máximo posible y disminuye la energía recolectada en el campo al mínimo. Por ejemplo, dos barras magnéticas idénticas pueden estar una a lado de otra normalmente alineadas de norte a sur, resultando en un campo magnetico más pequeño y resiste cualquier intento de reorientar todos sus puntos en una misma dirección. La energía requerida para reorientarlos en esa configuración es entonces recolectada en el campo magnético resultante, que es el doble de la magnitud del campo de un magneto individual. (Esto es porque un magneto usado como compás interactúa con el campo magnético terrestre para indicar Norte y Sur)

Una alternativa, formulada equivalente, que es fácil de aplicar pero ofrece una menor visión, es que un dipolo magnético en un campo magnético experimenta un torque y una fuerza que puede ser expresada en términos de un campo y de la magnitud del dipolo (p.e. sería el momento magnético dipolar). Para ver estas ecuaciones véase dipolo magnético.

Dipolos magnéticos atómicos

La causa física del magnetismo en los cuerpos, distinto a la corriente eléctrica, es por los dipolos atómicos magneticos. Dipolos magnéticos o momentos magnéticos, en escala atómica resultan de dos tipos diferentes del movimiento de electrones. El primero es el movimiento orbital del electrón sobre su núcleo atómico; este movimiento puede ser considerado como una corriente de bucles, resultando en el momento dipolar magnetico del orbital. La segunda, mas fuerte, fuente de momento electrónico magnético es debido a las propiedades cuánticas llamadas momento de spin del dipolo magnético (aunque la teoría mecánica cuántica actual dice que los electrones no giran físicamente, ni orbitan el núcleo).

Archivo:Magnetic dipole moment.png

Momento dipolar de una barra magnética

El momento magnetico general de un atomo es la suma neta de todos los momentos magneticos de los electrones individuales. Por la tendencia de los dipoolos magneticos a oponerse entre ellos se reduce la energia neta, en un atomo los momentos magneticos opuestos de algunos pares de electrones se cancelan entre ellos, ambos en un movimiento orbital y en momentos magneticos de spin. Asi, en el caso de un atomo con orbitales electronicos o suborbitales electronicos completamente llenos, el momento magnetico normalmente se cancela completamente entre ellos y solo los atomos con orbitales electronicos semillenos tienen un momento magnetico, su fuerza depende del numero de electrones impares.

La diferencia en la configuración de los electrones en varios elementos determina la naturaleza y magnitud de los momentos atomicos magnéticos, lo que a su vez determina la diferencia entre las propiedades magneticas de varios materiales. Muchas formas de comportamiento magnético han sido observadas en diferentes materiales, como:

• Diamagnetismo
• Paramagnetismo
  • Magneto Molecular
• Ferromagnetismo
  • Antiferromagnetismo
  • Ferromagnetismo
  • Metamagnetismo
• Superparamagnetismo

Monopolos magnéticos

Puesto que un imán de barra obtiene su ferromagnetismo de los electrones microscópicos distribuídos uniformemente a través del imán, cuando un imán es partido a la mitad cada una de las piezas resultantes es un imán más pequeño. Aunque se dice que un imán tiene un polo norte y un polo sur, estos dos polos no pueden separarse el uno del otro.Un monopolo - si tal cosa existe -sería una nueva clase fundamentalmente diferente de objeto magnético. Actuaría como un polo norte aislado, no atado a un polo sur, o viceversa. Los monopolos llevaría "carga magnética" análoga a la carga eléctrica. A pesar de búsquedas sistemáticas a partir de 1931 (como la de 2006), nunca han sido observadas, y muy bien podrían no existir.(ref). Milton menciona algunos eventos no concluyentes (p.60) y aún concluye que "no ha sobrevivido en absoluto ninguna evidencia de monopolos magnéticos".(p.3)

Véase también

• Campo magnético
• Electromagnetismo
• Detectores de billetes falsos por magnetismo

Enlaces externos

• Electromagnetismo: de la ciencia a la tecnología
• De la brújula al espín. El magnetismo