MAGNETISMO
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.
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