¿Qué es el magnetismo?
El magnetismo, o energía magnética, es una fuerza de la naturaleza asociada al movimiento de cargas eléctricas y capaz de producir atracción o repulsión en ciertas sustancias. Los imanes son fuentes bien conocidas de magnetismo.
En el interior de estos se producen interacciones que se traducen en la presencia de campos magnéticos, los cuales ejercen su influencia sobre pequeños trozos de hierro o níquel, por ejemplo.
El campo magnético de un imán se hace visible cuando se lo coloca debajo de un papel sobre el cual se esparcen limaduras de hierro. Las limaduras inmediatamente se orientan a lo largo de las líneas de campo, creando una imagen de este en dos dimensiones.
Otra fuente bien conocida son los alambres que transportan corriente eléctrica, pero, a diferencia de los imanes permanentes, el magnetismo desaparece cuando cesa la corriente.
Siempre que se produce un campo magnético en alguna parte, algún agente tuvo que realizar trabajo. La energía invertida en este proceso queda almacenada en el campo magnético creado y puede considerarse entonces como energía magnética.
El cálculo de cuánta energía magnética se almacena en el campo depende de este y de la geometría del dispositivo o de la región donde se ha creado.
Los inductores o bobinas son buenos lugares para ello, creando energía magnética de manera semejante a como se guarda energía eléctrica entre las placas de un condensador.
Historia y descubrimiento del magnetismo
Aplicaciones antiguas
Las leyendas contadas por Plinio sobre la antigua Grecia hablan del pastor Magnes, que hace más de 2.000 años encontró un mineral misterioso capaz de atraer trozos de hierro, pero no así otros materiales. Se trataba de magnetita, un óxido de hierro con fuertes propiedades magnéticas.
La razón de la atracción magnética permaneció oculta durante cientos de años. En el mejor de los casos, se atribuyó a hechos sobrenaturales. Aunque no por ello se dejaron de encontrar aplicaciones interesantes para la misma, como la brújula.
La brújula inventada por los chinos hace uso del magnetismo de la propia Tierra para que el usuario se oriente durante la navegación.
Primeros estudios científicos
El estudio de los fenómenos magnéticos tuvo un gran avance gracias a William Gilbert (1544-1603). Este científico inglés estudió el campo magnético de un imán esférico y concluyó que la Tierra debía poseer un campo magnético propio.
A partir de su estudio de los imanes, también se percató de que no podía obtener polos magnéticos separados. Cuando un imán se secciona en dos, los nuevos imanes también tienen ambos polos.
Sin embargo, fue a comienzos del siglo XIX cuando los científicos advirtieron la relación que había entre la corriente eléctrica y el magnetismo.
Hans Christian Oersted (1777-1851), nacido en Dinamarca, tuvo en 1820 la ocurrencia de hacer pasar una corriente eléctrica a través de un conductor y observar el efecto que eso tenía en una brújula. La brújula se desviaba, y cuando la corriente cesaba de fluir, la brújula volvía a apuntar, como siempre, al norte.
Este fenómeno se puede comprobar acercando la brújula a uno de los cables que salen de la batería del coche, mientras se acciona el arranque.
En el momento de cerrar el circuito, la aguja debe experimentar una deflexión observable, ya que las baterías de los coches pueden suministrar corrientes lo suficientemente altas como para que la brújula se desvíe.
De esta manera quedó claro que las cargas en movimiento son las que dan origen al magnetismo.
Investigaciones modernas
Pocos años después de los experimentos de Oersted, el investigador británico Michael Faraday (1791-1867) marcó otro hito al descubrir que los campos magnéticos variables dan lugar a su vez a corrientes eléctricas.
Ambos fenómenos, eléctricos y magnéticos, están estrechamente vinculados entre sí, siendo que cada uno puede dar lugar al otro. De unificarlos se encargó el discípulo de Faraday, James Clerk Maxwell (1831-1879), en las ecuaciones que llevan su nombre.
Estas ecuaciones contienen y resumen la teoría electromagnética y tienen validez aun dentro de la física relativista.
Propiedades magnéticas de los materiales
¿Por qué algunos materiales exhiben propiedades magnéticas o adquieren magnetismo fácilmente? Sabemos que el campo magnético se debe a cargas en movimiento, por lo tanto, en el interior del imán debe haber corrientes eléctricas invisibles que dan lugar al magnetismo.
Toda la materia contiene electrones orbitando al núcleo atómico. Al electrón se le puede comparar con la Tierra, que tiene un movimiento de traslación alrededor del Sol y también uno de rotación sobre su propio eje.
La física clásica le atribuye al electrón movimientos semejantes, aunque la analogía no es del todo exacta. Sin embargo, el punto es que ambas propiedades del electrón hacen que este se comporte como una minúscula espira que crea campo magnético.
Es el espín del electrón la propiedad que más contribuye al campo magnético del átomo. En los átomos con muchos electrones, estos se agrupan por pares y con espines opuestos. Así, sus campos magnéticos se anulan entre sí. Esto es lo que sucede en gran parte de los materiales.
Sin embargo, existen algunos minerales y compuestos en los que hay un electrón desapareado. De esta manera, el campo magnético neto no es nulo. Se crea así un momento magnético, un vector cuya magnitud es el producto de la corriente por el área del circuito.
Los momentos magnéticos contiguos interactúan entre sí y forman regiones llamadas dominios magnéticos, en la que muchos espines están alineados en la misma dirección. El campo magnético resultante es muy intenso.
Ferromagnetismo, paramagnetismo y diamagnetismo
Los materiales que poseen esta cualidad se denominan ferromagnéticos. Son unos pocos: el hierro, el níquel, el cobalto, el gadolinio y algunas aleaciones de los mismos.
El resto de los elementos de la tabla periódica carece de estos efectos magnéticos tan pronunciados. Caen en la categoría de paramagnéticos o diamagnéticos.
De hecho, el diamagnetismo es una propiedad de todos los materiales, los cuales experimentan una ligera repulsión en presencia de un campo magnético externo. El bismuto es el elemento con el diamagnetismo más acentuado.
Por su parte, el paramagnetismo consiste en una respuesta magnética menos intensa que el ferromagnetismo pero igualmente de atracción. Sustancias paramagnéticas son, por ejemplo, el aluminio, el aire y algunos óxidos de hierro, como la goetita.
Usos de la energía magnética
El magnetismo forma parte de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Como los seres humanos también forman parte de ella, están adaptados a la existencia de los fenómenos magnéticos, así como el resto de la vida en el planeta. Por ejemplo, algunos animales utilizan el campo magnético de la Tierra para orientarse geográficamente.
De hecho, se cree que las aves realizan sus largas migraciones gracias a que en sus cerebros poseen una especie de brújula orgánica que les permite percibir y utilizar el campo geomagnético.
Si bien los humanos carecen de una brújula como esta, sí tienen la habilidad de modificar el entorno de muchas más formas que el resto del reino animal. Así, los miembros de nuestra especie han utilizado el magnetismo para su provecho desde el mismo instante en que el primer pastor griego descubrió la piedra imán.
Algunas aplicaciones de la energía magnética
- La brújula hace uso del campo geomagnético de la Tierra para orientarse geográficamente.
- Antiguas pantallas de televisores, computadoras y osciloscopios, basadas en el tubo de rayos catódicos, que emplean bobinas que generan campos magnéticos. Estos se encargan de desviar el haz de electrones para que impacte en determinados lugares de la pantalla, formando la imagen.
- Espectrómetros de masas, utilizados para estudiar diversos tipos de moléculas y con muchas aplicaciones en bioquímica, criminología, antropología, historia y otras disciplinas. Hacen uso de campos eléctricos y magnéticos para desviar las partículas cargadas en trayectorias que dependen de su velocidad.
- Propulsión magnetohidrodinámica, en la que una fuerza magnética impulsa un chorro de agua de mar (buena conductora) hacia atrás, para que, por la tercera ley de Newton, un vehículo o embarcación reciba un impulso hacia adelante.
- Resonancia magnética, un método no invasivo para obtener imágenes del interior del cuerpo humano. Básicamente se sirve de un campo magnético muy intenso y se analiza la respuesta de los núcleos de hidrógeno (protones) presentes en los tejidos, los cuales poseen la propiedad ya mencionada del espín.
Estas aplicaciones ya están establecidas, pero a futuro se cree que el magnetismo puede ayudar a combater enfermedades como el cáncer de mama, mediante las técnicas hipertérmicas, que producen calor inducido magnéticamente.
La idea es inyectar magnetita fluida directamente al tumor. Gracias al calor producido por las corrientes inducidas magnéticamente, las partículas de hierro se calentarían lo suficiente como para destruir las células malignas.
Consideraciones sobre el magnetismo
Cuando se piensa en el uso de un determinado tipo de energía, se requiere su conversión en algún tipo de movimiento, como el de una turbina, un ascensor o un vehículo, por ejemplo, o bien que se transforme en energía eléctrica que encienda algún dispositivo: teléfonos, televisiones, cajeros automáticos y cosas por el estilo.
La energía es una magnitud con múltiples manifestaciones que puede ser modificada de muchas maneras. ¿Puede la energía de un pequeño imán amplificarse para que mueva continuamente algo más que unas pocas monedas?
Para ser aprovechable, la energía debe tener un gran alcance y proceder de una fuente muy abundante.
Energías primarias y secundarias
En la naturaleza se encuentran tales energías, a partir de las cuales se producen los demás tipos. Se conocen como energías primarias:
- Energía solar.
- Energía atómica.
- Energía geotérmica.
- Energía eólica.
- Energía de la biomasa.
- Energía de los combustibles fósiles y minerales.
Las energías secundarias, como la electricidad y el calor, se producen a partir de estas. La electricidad y el magnetismo no son dos fenómenos separados. De hecho, ambos unidos se conocen como fenómenos electromagnéticos. Siempre que exista uno de ellos existirá el otro.
Donde hay energía eléctrica, existirá energía magnética de alguna forma. Pero esta es una energía secundaria, que requiere la previa transformación de alguna de las energías primarias.
Las ventajas o las desventajas del uso de alguna clase de energía se establecen de acuerdo a muchos criterios. Entre ellos, destacan la facilidad o la economía en su producción, y también cuánto es capaz de influir negativamente el proceso en el ambiente y en las personas.
Algo importante para tomar en cuenta es que las energías se transforman muchas veces antes de que puedan ser utilizadas. Los procesos suelen ser numerosos.
Otro tema es si la energía magnética es limpia o no. Hay quienes creen que la exposición constante a los campos electromagnéticos de origen humano causan problemas de salud y ambientales.
Actualmente existen numerosas líneas de investigación dedicadas a estudiar la influencia de estos campos en la salud y el ambiente, pero de acuerdo a prestigiosas organizaciones internacionales, no existe hasta el momento evidencia concluyente de que sean nocivos.
Ejemplo de energía magnética: la bobina
Un dispositivo que sirve para contener energía magnética se conoce como inductor. Es una bobina que se forma enrollando alambre de cobre con suficiente número de vueltas, y es útil en muchos circuitos para restringir la corriente y evitar que cambie bruscamente.
Al hacer circular una corriente por las espiras de una bobina, se crea en su interior un campo magnético. Si la corriente cambia, también lo hacen las líneas de campo magnético. Estos cambios inducen en las espiras una corriente que se opone a ellos, según la ley de inducción de Faraday-Lenz.
Cuando la corriente aumenta o disminuye súbitamente, la bobina se opone a ello, por lo tanto puede tener efectos protectores en el circuito.
La energía magnética de una bobina
En el campo magnético creado en el volumen delimitado por las espiras de la bobina se almacena la energía magnética, a la cual se denotará como UB y que depende de:
- La intensidad del campo magnético B.
- El área de la sección transversal de la bobina A.
- La longitud de la bobina l.
- La permeabilidad del vacío μo.
Se calcula de la siguiente manera:
El producto A.l equivale al volumen encerrado por la bobina.
Esta ecuación es válida en cualquier región del espacio donde exista un campo magnético. Si se conoce el volumen V de dicha región, su permeabilidad y la intensidad del campo, es posible calcular cuánta energía magnética posee.
Ejercicio resuelto
El campo magnético del interior de una bobina llena de aire de 2.0 cm de diámetro y 26 cm de longitud es de 0.70 T. ¿Cuánta energía se almacena en este campo?
Dato: la permeabilidad del vacío es μo = 4π . 10-7 T.m/A
Solución
Se sustituyen los valores numéricos en la ecuación anterior, teniendo el cuidado de convertir los valores a las unidades del Sistema Internacional.
Referencias
- Giancoli, D. Física: Principios con Aplicaciones. Sexta Edición. Prentice Hall.
- Wilson, J.D. Física 12. Pearson.