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Magnetismo

El magnetismo es el conjunto de fenómenos físicos mediados por campos magnéticos. Estos pueden ser generados por las corrientes eléctricas o por los momentos magnéticos de las partículas constituyentes de los materiales. Es parte de un fenómeno más general: el electromagnetismo. También denomina a la rama de la física que estudia dichos fenómenos.

El campo magnético de un imán se manifiesta por la distribución de las limaduras de hierro alrededor de dicho imán.

El níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones se encuentran entre algunos de los materiales que presentan propiedades magnéticas que son fácilmente observables, y comúnmente se llaman imanes. Estos materiales son ferromagnéticos e interactúan fuertemente con los campos magnéticos externos a la vez que generan un campo magnético propio. Esto permite la tan conocida repulsión y atracción entre los polos de los imanes. Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

Etimología

La palabra magnetismo viene del griego μαγνῆτις λίθος (magnētis lithos) que significa "piedra de Magnesia" y hace referencia a la magnetita, un mineral de hierro ferromagnético.

Historia

Los fenómenos magnéticos fueron conocidos en la antigua Grecia. Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el hierro, y que los trozos de hierro atraídos, atraigan a su vez a otros. Estas se denominaron imanes naturales.

El primer filósofo que estudió el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que vivió entre 625 a. C. y 545 a. C.[1]​ En China, la primera referencia a este fenómeno se encuentra en un manuscrito del siglo IV a. C. titulado Libro del amo del valle del diablo: «La magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por este».[2]​ La primera mención es sobre la atracción de una aguja que 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 Neckam fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta técnica en 1187.

Peter Peregrinus de Maricourt, fue un estudioso francés del siglo XIII que realizó experimentos sobre magnetismo y escribió el primer tratado existente para las propiedades de imanes. Su trabajo se destaca por la primera discusión detallada de una brújula. El cosmógrafo español Martín Cortés de Albacar, formado en Zaragoza y en la escuela de pilotos de Cádiz, descubrió y situó el polo norte magnético en Groenlandia en 1551 para los navegantes españoles e ingleses (su libro fue traducido y muy reimpreso en Inglaterra) facilitando así considerablemente la navegación. Galileo Galilei y su amigo Francesco Sagredo se interesaron en el magnetismo engastando un buen trozo de roca magnética de más de kilo y medio en un bello artilugio de madera; la magnetita se disponía de tal manera que, a modo de imán, atraía una bola de hierro de casi cuatro kilos de peso; pero la falta de aplicaciones prácticas y económicas del invento desalentó más experimentación por parte de estos destacados científicos italianos.[3]​ En 1600 el médico y físico William Gilbert publicó en Londres su obra De magnete, magneticisque corporibus, et de magno magnete tellure; Physiologia noua, plurimis & argumentis, & experimentis demostrata ("Sobre el imán y los cuerpos magnéticos y sobre el gran imán la Tierra"), que estableció las bases del estudio profundo del magnetismo consignando las características y tipologías de los imanes y realizando todo tipo de experimentos cuidadosamente descritos. Observó que la máxima atracción ejercida por los imanes sobre los trozos de hierro se realizaba siempre en las zonas llamadas "polos" del imán. Clasificó los materiales en conductores y aislantes e ideó el primer electroscopio. Descubrió la imantación por influencia y fue el primero en percibir que la imantación del hierro se pierde al calentarlo al rojo. Estudió la inclinación de una aguja magnética concluyendo que la Tierra se comporta como un gran imán.

El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes hasta que en 1820 Hans Christian Ørsted, profesor de la Universidad de Copenhague, 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.[4]​ 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 el magnetismo y la electricidad en un solo campo, el electromagnetismo. En 1905, Einstein usó estas leyes para comprobar su teoría de la relatividad especial,[5]​ en el proceso mostró que los campos eléctricos y magnéticos son dos caras de la misma moneda, el tensor de campo electromagnético.

La física del magnetismo

Campos y fuerzas magnéticas

El fenómeno del magnetismo es ejercido por un campo magnético, por ejemplo, una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, este al girar imparte una fuerza magnética a otras partículas que están 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 eléctricamente están en movimiento. Por ejemplo, del movimiento de electrones en una corriente eléctrica o en casos del movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo atómico. Estas también aparecen de un dipolo magnético intrínseco que aparece de los efectos cuánticos, por ejemplo, del spin de la mecánica cuántica.

Ley de Lorentz

La misma situación que crea campos magnéticos (carga en movimiento en una corriente o en un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son también 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 dada por el producto cruz:

 

donde   es la carga eléctrica de la partícula,   es el vector velocidad de la partícula y   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, cambia la dirección del movimiento de esta, pero esto no causa su aumento o disminución de la velocidad. La magnitud de la fuerza es :  donde   es el ángulo entre los vectores   y  . 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 formuló lo que ahora se denomina la ley de Lenz, esta da una dirección de la fuerza electromotriz (fem) y la corriente resultante de una inducción electromagnética.

Dipolos magnéticos

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

Un campo magnético contiene energía y sistemas físicos que 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 magnético 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 imán individual (esto es porque un imán usado como brújula 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 momento de un par de fuerzas y una fuerza que pueda ser expresada en términos de un campo y de la magnitud del dipolo (por ejemplo 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 magnéticos. 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 magnético del orbital. La segunda, más 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).

El momento magnético general de un átomo es la suma neta de todos los momentos magnéticos de los electrones individuales. Por la tendencia de los dipolos magnéticos a oponerse entre ellos se reduce la energía neta. En un átomo los momentos magnéticos opuestos de algunos pares de electrones se cancelan entre ellos, ambos en un movimiento orbital y en momentos magnéticos de espín. Así, en el caso de un átomo con orbitales electrónicos o suborbitales electrónicos completamente llenos, el momento magnético normalmente se cancela completamente y solo los átomos con orbitales electrónicos semillenos tienen un momento magnético. Su fuerza depende del número de electrones impares.

La diferencia en la configuración de los electrones en varios elementos determina la naturaleza y magnitud de los momentos atómicos magnéticos, lo que a su vez determina la diferencia entre las propiedades magnéticas de varios materiales. Existen muchas formas de comportamiento magnético o tipos de magnetismo: el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el paramagnetismo; esto se debe precisamente a las propiedades magnéticas de los materiales, por eso se ha estipulado una clasificación respectiva de estos, según su comportamiento ante un campo magnético inducido, como sigue:

Clasificación de los materiales magnéticos

Tipo de material Características
No magnético No afecta el paso de las líneas de campo magnético.
Ejemplo: el vacío.
Diamagnético Material débilmente magnético. Si se sitúa una barra magnética cerca de él, esta lo repele.
Ejemplo: bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), agua.
Paramagnético Presenta un magnetismo significativo. Atraído por la barra magnética.
Ejemplo: aire, aluminio (Al), paladio (Pd), magneto molecular.
Ferromagnético Magnético por excelencia o fuertemente magnético. Atraído por la barra magnética.
Paramagnético por encima de la temperatura de Curie
(La temperatura de Curie del hierro metálico es aproximadamente unos 770 °C).
Ejemplo: hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero suave.
Antiferromagnético No magnético aun bajo acción de un campo magnético inducido.
Ejemplo: óxido de manganeso (MnO2).
Ferrimagnético Menor grado magnético que los materiales ferromagnéticos.
Ejemplo: ferrita de hierro.
Superparamagnético Materiales ferromagnéticos suspendidos en una matriz dieléctrica.
Ejemplo: materiales utilizados en cintas de audio y video.
Ferritas Ferromagnético de baja conductividad eléctrica.
Ejemplo: utilizado como núcleo inductores para aplicaciones de corriente alterna.

Monopolos magnéticos

Puesto que un imán de barra obtiene su ferromagnetismo de los electrones magnéticos microscópicos distribuidos 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 es una nueva clase fundamentalmente diferente de objeto magnético. Actuaría como un polo norte aislado, no atado a un polo sur, o viceversa. Los monopolos llevarían «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.[cita requerida] Milton menciona algunos eventos no concluyentes (p. 60) y aun concluye que «no ha sobrevivido en absoluto ninguna evidencia de monopolos magnéticos»(p. 3).

Tipos de materiales magnéticos

Existen diversos tipos de comportamiento de los materiales magnéticos, siendo los principales el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el paramagnetismo.

En los materiales diamagnéticos, la disposición de los electrones de cada átomo es tal, que se produce una anulación global de los efectos magnéticos. Sin embargo, si el material se introduce en un campo inducido, la sustancia adquiere una imantación débil y en el sentido opuesto al campo inductor.

Si se sitúa una barra de material diamagnético en el interior de un campo magnético uniforme e intenso, esta se dispone transversalmente respecto de aquel.

Los materiales paramagnéticos no presentan la anulación global de efectos magnéticos, por lo que cada átomo que los constituye actúa como un pequeño imán. Sin embargo, la orientación de dichos imanes es, en general, arbitraria, y el efecto global se anula.

Asimismo, si el material paramagnético se somete a la acción de un campo magnético inductor, el campo magnético inducido en dicha sustancia se orienta en el sentido del campo magnético inductor.

Esto hace que una barra de material paramagnético suspendida libremente en el seno de un campo inductor se alinee con este.

El magnetismo inducido, aunque débil, es suficiente intenso como para imponer al efecto magnético. Para comparar los tres tipos de magnetismo se emplea la razón entre el campo magnético inducido y el inductor.

La rama de la química que estudia las sustancias de propiedades magnéticas interesantes es la magnetoquímica.

Electroimanes

Un electroimán es un imán hecho de alambre eléctrico bobinado en torno a un material magnético como el hierro. Este tipo de imán es útil en los casos en que un imán debe estar encendido o apagado, por ejemplo, las grandes y pesadas grúas para levantar chatarra de automóviles.

Para el caso de corriente eléctrica se desplazan a través de un cable, el campo resultante se dirige de acuerdo con la regla de la mano derecha. Si la mano derecha se utiliza como un modelo, y el pulgar de la mano derecha a lo largo del cable de positivo hacia el lado negativo ("convencional actual", a la inversa de la dirección del movimiento real de los electrones), entonces el campo magnético hace una recapitulación de todo el cable en la dirección indicada por los dedos de la mano derecha. Como puede observarse geométricamente, en caso de un bucle o hélice de cable, está formado de tal manera que el actual es viajar en un círculo, a continuación, todas las líneas de campo en el centro del bucle se dirigen a la misma dirección, lo que arroja un magnética dipolo cuya fuerza depende de la actual en todo el bucle, o el actual en la hélice multiplicado por el número de vueltas de alambre. En el caso de ese bucle, si los dedos de la mano derecha se dirigen en la dirección del flujo de corriente convencional (es decir, el positivo y el negativo, la dirección opuesta al flujo real de los electrones), el pulgar apuntará en la dirección correspondiente al polo norte del dipolo.

Imanes temporales y permanentes

Un imán permanente conserva su magnetismo sin un campo magnético exterior, mientras que un imán temporal solo es magnético, siempre que esté situado en otro campo magnético. Inducir el magnetismo del acero en los resultados en un imán de hierro, pierde su magnetismo cuando la inducción de campo se retira. Un imán temporal como el hierro es un material adecuado para los electroimanes. Los imanes son hechos por acariciar con otro imán, la grabación, mientras que fija en un campo magnético opuesto dentro de una solenoide bobina, se suministra con una corriente directa. Un imán permanente puede perder su magnetismo al ser sometido al calor, a fuertes golpes, o colocarlo dentro de un solenoide se suministra con una reducción de corriente alterna.

Origen cuántico-mecánico del magnetismo.

Mientras que las explicaciones heurísticas basadas en la física clásica se pueden formular, el diamagnetismo, el paramagnetismo y el ferromagnetismo solo se pueden explicar completamente usando la teoría cuántica. Un modelo exitoso fue desarrollado ya en 1927 por Walter Heitler y Fritz London, quien derivó, cuántico-mecánicamente, cómo las moléculas de hidrógeno se forman a partir de átomos de hidrógeno, es decir, de los orbitales atómicos de hidrógeno y se centran en los núcleos A y B, véase más adelante. Que esto lleve al magnetismo no es del todo obvio, pero se explicará a continuación.

De acuerdo con la teoría de Heitler-London, se forman los llamados moleculares moleculares de dos cuerpos, es decir, el orbital resultante es:

 

Aquí, el último producto significa que un primer electrón, r1, está en un orbital de hidrógeno atómico centrado en el segundo núcleo, mientras que el segundo electrón corre alrededor del primer núcleo. Este fenómeno de "intercambio" es una expresión de la propiedad mecánico-cuántica de que las partículas con propiedades idénticas no pueden distinguirse. Es específico no solo para la formación de enlaces químicos, sino que, como se verá, también para el magnetismo, es decir, en este contexto surge el término interacción de intercambio, un término que es esencial para el origen del magnetismo y que es más fuerte, aproximadamente por factores 100 e incluso por 1000, que las energías que surgen de la interacción electrodinámica dipolo-dipolo.

En cuanto a la función de giro χ (s1, s2), que es responsable del magnetismo, tenemos el principio de Pauli ya mencionado, a saber, que un orbital simétrico (es decir, con el signo + como anteriormente) debe multiplicarse con una función de giro antisimétrico ( es decir, con un signo -, y viceversa. Así:

 ,


Es decir, no solo y debe ser sustituido por α y β, respectivamente (la primera entidad significa "spin up", la segunda "spin down"), pero también el signo + por el signo - y, finalmente, indica los valores discretos si ( = ± ½); por lo tanto tenemos   y  . El "estado singlete", es decir, el signo - significa: los espines son antiparalelos, es decir, para el sólido tenemos antiferromagnetismo, y para las moléculas atómicas uno tiene diamagnetismo. La tendencia a formar un enlace químico (homoopolar) (esto significa: la formación de un orbital molecular simétrico, es decir, con el signo +) resulta a través del principio de Pauli automáticamente en un estado antisimétrico (es decir, con el signo -). En contraste, la repulsión de los electrones por parte de Coulomb, es decir, la tendencia a que intenten evitarse mutuamente mediante esta repulsión, conduciría a una función antisimétrica del absorbente (es decir, con el signo -) de estas dos partículas, y complementaria a una función symmetricspin (es decir, con el signo +, una de las llamadas "funciones de triplete"). Así, ahora los espines serían paralelos (ferromagnetismo en un sólido, paramagnetismo en dos gases atómicos).

La tendencia mencionada por última vez predomina en los metales hierro, cobalto, níquel y en algunas tierras raras, que son ferromagnéticas. La mayoría de los otros metales, donde predomina la tendencia mencionada en primer lugar, son no magnéticos (por ejemplo, sodio, aluminio y magnesio) o antiferromagnéticos (por ejemplo, manganeso). Los gases diatómicos también son casi exclusivamente diamagnéticos, y no paramagnéticos. Sin embargo, la molécula de oxígeno, debido a la participación de los orbitales π, es una excepción importante para las ciencias de la vida.

Las consideraciones de Heitler-London pueden generalizarse al modelo de magnetismo de Heisenberg (Heisenberg 1928).

La explicación de los fenómenos se basa esencialmente en todas las sutilezas de la mecánica cuántica, mientras que la electrodinámica cubre principalmente la fenomenología.

Unidades

Unidades del SI relacionadas con el magnetismo

  • Tesla [T] = unidad de campo magnético.
  • Weber [Wb] = unidad de flujo magnético.
  • Amperio [A] = unidad de corriente eléctrica, que genera campos magnéticos.
Unidades electromagnéticas del SI
Símbolo[22] Nombre Unidad Símbolo Unidades Base
Q carga eléctrica coulomb C A⋅s
I corriente eléctrica amperio A A (= W/V = C/s)
J densidad de corriente eléctrica amperio por metro cuadrado A/m² A⋅m−2
U, ΔV, Δφ; E potential difference; fuerza electromotriz voltio V J/C = kg⋅m²⋅s−3⋅A−1
R; Z; X resistividad eléctrica; impedancia; reactancia ohm Ω V/A = kg⋅m²⋅s−3⋅A−2
ρ resistividad ohm metro Ω⋅m kg⋅m³⋅s−3⋅A−2
P Energía eléctrica watt W V⋅A = kg⋅m²⋅s−3
C capacitancia faradio F C/V = kg−1⋅m−2⋅A2⋅s4
ΦE Flujo eléctrico voltio metro V⋅m kg⋅m³⋅s−3⋅A−1
E campo de desplazamiento eléctrico voltio por metro V/m N/C = kg⋅m⋅A−1⋅s−3
D electric displacement field Coulomb por metro cuadrado C/m² A⋅s⋅m−2
ε permitividad faradios por metro F/m kg−1⋅m−3⋅A2⋅s4
χe susceptibilidad eléctrica Adimensional 1 1
G; Y; B conductancia; admitancia; susceptancia siemens S Ω−1 = kg−1⋅m−2⋅s3⋅A2
κ, γ, σ conductividad siemens por metro S/m kg−1⋅m−3⋅s3⋅A2
B densidad de flujo magnético, inducción magnética tesla T Wb/m² = kg⋅s−2⋅A−1 = N⋅A−1⋅m−1
Φ, ΦM, ΦB flujo magnético weber Wb V⋅s = kg⋅m²⋅s−2⋅A−1
H intensidad del campo magnético amperio por metro A/m A⋅m−1
L, M inductancia henrio H Wb/A = V⋅s/A = kg⋅m²⋅s−2⋅A−2
μ permeabilidad henrio por metro H/m kg⋅m²⋅s−2⋅A−2
χ Susceptibilidad magnética (dimensionless) 1 1


Otras unidades

Referencias

  1. «Historical Beginnings of Theories of Electricity and Magnetism» (en inglés). Consultado el 31 de mayo de 2007. 
  2. Li Shu-hua, "Origine de la Boussole 11. Aimant et Boussole", Isis, Vol. 45, No. 2. (jul., 1954), p. 175.
  3. Lozano Leyva, Manuel. «¿Sabías que Galileo menospreció el magnetismo por razones económicas?» 6 de noviembre de 2013. El País.
  4. Historia de la física.
  5. Einstein, A. «On the Electrodynamics of Moving Bodies.» 30 de junio de 1905.

Enlaces externos

  •   Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre magnetismo.
  •   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Magnetismo.
  • Electromagnetismo: de la ciencia a la tecnología
  • De la brújula al espín. El magnetismo
  •   Datos: Q3294789
  •   Multimedia: Magnetism

magnetismo, magnetismo, conjunto, fenómenos, físicos, mediados, campos, magnéticos, estos, pueden, generados, corrientes, eléctricas, momentos, magnéticos, partículas, constituyentes, materiales, parte, fenómeno, más, general, electromagnetismo, también, denom. El magnetismo es el conjunto de fenomenos fisicos mediados por campos magneticos Estos pueden ser generados por las corrientes electricas o por los momentos magneticos de las particulas constituyentes de los materiales Es parte de un fenomeno mas general el electromagnetismo Tambien denomina a la rama de la fisica que estudia dichos fenomenos El campo magnetico de un iman se manifiesta por la distribucion de las limaduras de hierro alrededor de dicho iman El niquel hierro cobalto y sus aleaciones se encuentran entre algunos de los materiales que presentan propiedades magneticas que son facilmente observables y comunmente se llaman imanes Estos materiales son ferromagneticos e interactuan fuertemente con los campos magneticos externos a la vez que generan un campo magnetico propio Esto permite la tan conocida repulsion y atraccion entre los polos de los imanes Sin embargo todos los materiales son influidos de mayor o menor forma por la presencia de un campo magnetico Indice 1 Etimologia 2 Historia 3 La fisica del magnetismo 3 1 Campos y fuerzas magneticas 3 2 Ley de Lorentz 3 3 Dipolos magneticos 3 4 Dipolos magneticos atomicos 3 4 1 Clasificacion de los materiales magneticos 3 5 Monopolos magneticos 4 Tipos de materiales magneticos 4 1 Electroimanes 4 2 Imanes temporales y permanentes 5 Origen cuantico mecanico del magnetismo 6 Unidades 6 1 Unidades del SI relacionadas con el magnetismo 6 2 Otras unidades 7 Referencias 8 Enlaces externosEtimologia EditarLa palabra magnetismo viene del griego magnῆtis li8os magnetis lithos que significa piedra de Magnesia y hace referencia a la magnetita un mineral de hierro ferromagnetico Historia EditarLos fenomenos magneticos fueron conocidos en la antigua Grecia Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor de ahi el termino magnetismo Sabian que ciertas piedras atraian el hierro y que los trozos de hierro atraidos atraigan a su vez a otros Estas se denominaron imanes naturales El primer filosofo que estudio el fenomeno del magnetismo fue Tales de Mileto filosofo griego que vivio entre 625 a C y 545 a C 1 En China la primera referencia a este fenomeno se encuentra en un manuscrito del siglo IV a C titulado Libro del amo del valle del diablo La magnetita atrae al hierro hacia si o es atraida por este 2 La primera mencion es sobre la atraccion de una aguja que aparece en un trabajo realizado entre los anos 20 y 100 de nuestra era La magnetita atrae a la aguja El cientifico Shen Kua 1031 1095 escribio sobre la brujula de aguja magnetica y mejoro la precision en la navegacion empleando el concepto astronomico del norte absoluto Hacia el siglo XII los chinos ya habian desarrollado la tecnica lo suficiente como para utilizar la brujula para mejorar la navegacion Alexander Neckam fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta tecnica en 1187 Peter Peregrinus de Maricourt fue un estudioso frances del siglo XIII que realizo experimentos sobre magnetismo y escribio el primer tratado existente para las propiedades de imanes Su trabajo se destaca por la primera discusion detallada de una brujula El cosmografo espanol Martin Cortes de Albacar formado en Zaragoza y en la escuela de pilotos de Cadiz descubrio y situo el polo norte magnetico en Groenlandia en 1551 para los navegantes espanoles e ingleses su libro fue traducido y muy reimpreso en Inglaterra facilitando asi considerablemente la navegacion Galileo Galilei y su amigo Francesco Sagredo se interesaron en el magnetismo engastando un buen trozo de roca magnetica de mas de kilo y medio en un bello artilugio de madera la magnetita se disponia de tal manera que a modo de iman atraia una bola de hierro de casi cuatro kilos de peso pero la falta de aplicaciones practicas y economicas del invento desalento mas experimentacion por parte de estos destacados cientificos italianos 3 En 1600 el medico y fisico William Gilbert publico en Londres su obra De magnete magneticisque corporibus et de magno magnete tellure Physiologia noua plurimis amp argumentis amp experimentis demostrata Sobre el iman y los cuerpos magneticos y sobre el gran iman la Tierra que establecio las bases del estudio profundo del magnetismo consignando las caracteristicas y tipologias de los imanes y realizando todo tipo de experimentos cuidadosamente descritos Observo que la maxima atraccion ejercida por los imanes sobre los trozos de hierro se realizaba siempre en las zonas llamadas polos del iman Clasifico los materiales en conductores y aislantes e ideo el primer electroscopio Descubrio la imantacion por influencia y fue el primero en percibir que la imantacion del hierro se pierde al calentarlo al rojo Estudio la inclinacion de una aguja magnetica concluyendo que la Tierra se comporta como un gran iman El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes hasta que en 1820 Hans Christian Orsted profesor de la Universidad de Copenhague descubrio que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercia una perturbacion magnetica a su alrededor que llegaba a poder mover una aguja magnetica situada en ese entorno 4 Muchos otros experimentos siguieron con Andre Marie Ampere Carl Friedrich Gauss Michael Faraday y otros que encontraron vinculos entre el magnetismo y la electricidad James Clerk Maxwell sintetizo y explico estas observaciones en sus ecuaciones de Maxwell Unifico el magnetismo y la electricidad en un solo campo el electromagnetismo En 1905 Einstein uso estas leyes para comprobar su teoria de la relatividad especial 5 en el proceso mostro que los campos electricos y magneticos son dos caras de la misma moneda el tensor de campo electromagnetico La fisica del magnetismo EditarCampos y fuerzas magneticas Editar Articulo principal Campo magnetico El fenomeno del magnetismo es ejercido por un campo magnetico por ejemplo una corriente electrica o un dipolo magnetico crea un campo magnetico este al girar imparte una fuerza magnetica a otras particulas que estan en el campo Para una aproximacion excelente pero ignorando algunos efectos cuanticos vease electrodinamica cuantica 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 particulas cargadas electricamente estan en movimiento Por ejemplo del movimiento de electrones en una corriente electrica o en casos del movimiento orbital de los electrones alrededor del nucleo atomico Estas tambien aparecen de un dipolo magnetico intrinseco que aparece de los efectos cuanticos por ejemplo del spin de la mecanica cuantica Ley de Lorentz Editar La misma situacion que crea campos magneticos carga en movimiento en una corriente o en un atomo y dipolos magneticos intrinsecos son tambien situaciones en que el campo magnetico causa sus efectos creando una fuerza Cuando una particula cargada se mueve a traves de un campo magnetico B se ejerce una fuerza F dada por el producto cruz F q v B displaystyle vec F q vec v times vec B donde q displaystyle q es la carga electrica de la particula v displaystyle vec v es el vector velocidad de la particula y B displaystyle vec B es el campo magnetico Debido a que esto es un producto cruz la fuerza es perpendicular al movimiento de la particula y al campo magnetico La fuerza magnetica no realiza trabajo mecanico en la particula cambia la direccion del movimiento de esta pero esto no causa su aumento o disminucion de la velocidad La magnitud de la fuerza es F q v B sen 8 displaystyle F qvB operatorname sen theta donde 8 displaystyle theta es el angulo entre los vectores v displaystyle vec v y B displaystyle vec B Una herramienta para determinar la direccion del vector velocidad de una carga en movimiento es siguiendo la ley de la mano derecha vease regla de la mano derecha El fisico aleman Heinrich Lenz formulo lo que ahora se denomina la ley de Lenz esta da una direccion de la fuerza electromotriz fem y la corriente resultante de una induccion electromagnetica Dipolos magneticos Editar Articulo principal Dipolo magnetico Se puede ver una muy comun fuente de campo magnetico en la naturaleza un dipolo Este tiene un polo sur y un polo norte sus nombres se deben a que antes se usaban los imanes como brujulas que interactuaban con el campo magnetico terrestre para indicar el norte y el sur del globo Un campo magnetico contiene energia y sistemas fisicos que se estabilizan con configuraciones de menor energia Por lo tanto cuando se encuentra en un campo magnetico un dipolo magnetico tiende a alinearse solo con una polaridad diferente a la del campo lo que cancela al campo lo maximo posible y disminuye la energia recolectada en el campo al minimo Por ejemplo dos barras magneticas identicas pueden estar una a lado de otra normalmente alineadas de norte a sur resultando en un campo magnetico mas pequeno y resiste cualquier intento de reorientar todos sus puntos en una misma direccion La energia requerida para reorientarlos en esa configuracion es entonces recolectada en el campo magnetico resultante que es el doble de la magnitud del campo de un iman individual esto es porque un iman usado como brujula interactua con el campo magnetico terrestre para indicar Norte y Sur Una alternativa formulada equivalente que es facil de aplicar pero ofrece una menor vision es que un dipolo magnetico en un campo magnetico experimenta un momento de un par de fuerzas y una fuerza que pueda ser expresada en terminos de un campo y de la magnitud del dipolo por ejemplo seria el momento magnetico dipolar Para ver estas ecuaciones vease dipolo magnetico Dipolos magneticos atomicos Editar La causa fisica del magnetismo en los cuerpos distinto a la corriente electrica es por los dipolos atomicos magneticos Dipolos magneticos o momentos magneticos en escala atomica resultan de dos tipos diferentes del movimiento de electrones El primero es el movimiento orbital del electron sobre su nucleo atomico 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 electronico magnetico es debido a las propiedades cuanticas llamadas momento de spin del dipolo magnetico aunque la teoria mecanica cuantica actual dice que los electrones no giran fisicamente ni orbitan el nucleo 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 dipolos 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 espin Asi en el caso de un atomo con orbitales electronicos o suborbitales electronicos completamente llenos el momento magnetico normalmente se cancela completamente y solo los atomos con orbitales electronicos semillenos tienen un momento magnetico Su fuerza depende del numero de electrones impares La diferencia en la configuracion de los electrones en varios elementos determina la naturaleza y magnitud de los momentos atomicos magneticos lo que a su vez determina la diferencia entre las propiedades magneticas de varios materiales Existen muchas formas de comportamiento magnetico o tipos de magnetismo el ferromagnetismo el diamagnetismo y el paramagnetismo esto se debe precisamente a las propiedades magneticas de los materiales por eso se ha estipulado una clasificacion respectiva de estos segun su comportamiento ante un campo magnetico inducido como sigue Clasificacion de los materiales magneticos Editar Tipo de material CaracteristicasNo magnetico No afecta el paso de las lineas de campo magnetico Ejemplo el vacio Diamagnetico Material debilmente magnetico Si se situa una barra magnetica cerca de el esta lo repele Ejemplo bismuto Bi plata Ag plomo Pb agua Paramagnetico Presenta un magnetismo significativo Atraido por la barra magnetica Ejemplo aire aluminio Al paladio Pd magneto molecular Ferromagnetico Magnetico por excelencia o fuertemente magnetico Atraido por la barra magnetica Paramagnetico por encima de la temperatura de Curie La temperatura de Curie del hierro metalico es aproximadamente unos 770 C Ejemplo hierro Fe cobalto Co niquel Ni acero suave Antiferromagnetico No magnetico aun bajo accion de un campo magnetico inducido Ejemplo oxido de manganeso MnO2 Ferrimagnetico Menor grado magnetico que los materiales ferromagneticos Ejemplo ferrita de hierro Superparamagnetico Materiales ferromagneticos suspendidos en una matriz dielectrica Ejemplo materiales utilizados en cintas de audio y video Ferritas Ferromagnetico de baja conductividad electrica Ejemplo utilizado como nucleo inductores para aplicaciones de corriente alterna Monopolos magneticos Editar Puesto que un iman de barra obtiene su ferromagnetismo de los electrones magneticos microscopicos distribuidos uniformemente a traves del iman cuando un iman es partido a la mitad cada una de las piezas resultantes es un iman mas pequeno Aunque se dice que un iman tiene un polo norte y un polo sur estos dos polos no pueden separarse el uno del otro Un monopolo es una nueva clase fundamentalmente diferente de objeto magnetico Actuaria como un polo norte aislado no atado a un polo sur o viceversa Los monopolos llevarian carga magnetica analoga a la carga electrica A pesar de busquedas sistematicas a partir de 1931 como la de 2006 nunca han sido observadas y muy bien podrian no existir cita requerida Milton menciona algunos eventos no concluyentes p 60 y aun concluye que no ha sobrevivido en absoluto ninguna evidencia de monopolos magneticos p 3 Tipos de materiales magneticos EditarExisten diversos tipos de comportamiento de los materiales magneticos siendo los principales el ferromagnetismo el diamagnetismo y el paramagnetismo En los materiales diamagneticos la disposicion de los electrones de cada atomo es tal que se produce una anulacion global de los efectos magneticos Sin embargo si el material se introduce en un campo inducido la sustancia adquiere una imantacion debil y en el sentido opuesto al campo inductor Si se situa una barra de material diamagnetico en el interior de un campo magnetico uniforme e intenso esta se dispone transversalmente respecto de aquel Los materiales paramagneticos no presentan la anulacion global de efectos magneticos por lo que cada atomo que los constituye actua como un pequeno iman Sin embargo la orientacion de dichos imanes es en general arbitraria y el efecto global se anula Asimismo si el material paramagnetico se somete a la accion de un campo magnetico inductor el campo magnetico inducido en dicha sustancia se orienta en el sentido del campo magnetico inductor Esto hace que una barra de material paramagnetico suspendida libremente en el seno de un campo inductor se alinee con este El magnetismo inducido aunque debil es suficiente intenso como para imponer al efecto magnetico Para comparar los tres tipos de magnetismo se emplea la razon entre el campo magnetico inducido y el inductor La rama de la quimica que estudia las sustancias de propiedades magneticas interesantes es la magnetoquimica Electroimanes Editar Un electroiman es un iman hecho de alambre electrico bobinado en torno a un material magnetico como el hierro Este tipo de iman es util en los casos en que un iman debe estar encendido o apagado por ejemplo las grandes y pesadas gruas para levantar chatarra de automoviles Para el caso de corriente electrica se desplazan a traves de un cable el campo resultante se dirige de acuerdo con la regla de la mano derecha Si la mano derecha se utiliza como un modelo y el pulgar de la mano derecha a lo largo del cable de positivo hacia el lado negativo convencional actual a la inversa de la direccion del movimiento real de los electrones entonces el campo magnetico hace una recapitulacion de todo el cable en la direccion indicada por los dedos de la mano derecha Como puede observarse geometricamente en caso de un bucle o helice de cable esta formado de tal manera que el actual es viajar en un circulo a continuacion todas las lineas de campo en el centro del bucle se dirigen a la misma direccion lo que arroja un magnetica dipolo cuya fuerza depende de la actual en todo el bucle o el actual en la helice multiplicado por el numero de vueltas de alambre En el caso de ese bucle si los dedos de la mano derecha se dirigen en la direccion del flujo de corriente convencional es decir el positivo y el negativo la direccion opuesta al flujo real de los electrones el pulgar apuntara en la direccion correspondiente al polo norte del dipolo Imanes temporales y permanentes Editar Un iman permanente conserva su magnetismo sin un campo magnetico exterior mientras que un iman temporal solo es magnetico siempre que este situado en otro campo magnetico Inducir el magnetismo del acero en los resultados en un iman de hierro pierde su magnetismo cuando la induccion de campo se retira Un iman temporal como el hierro es un material adecuado para los electroimanes Los imanes son hechos por acariciar con otro iman la grabacion mientras que fija en un campo magnetico opuesto dentro de una solenoide bobina se suministra con una corriente directa Un iman permanente puede perder su magnetismo al ser sometido al calor a fuertes golpes o colocarlo dentro de un solenoide se suministra con una reduccion de corriente alterna Origen cuantico mecanico del magnetismo EditarMientras que las explicaciones heuristicas basadas en la fisica clasica se pueden formular el diamagnetismo el paramagnetismo y el ferromagnetismo solo se pueden explicar completamente usando la teoria cuantica Un modelo exitoso fue desarrollado ya en 1927 por Walter Heitler y Fritz London quien derivo cuantico mecanicamente como las moleculas de hidrogeno se forman a partir de atomos de hidrogeno es decir de los orbitales atomicos de hidrogeno y se centran en los nucleos A y B vease mas adelante Que esto lleve al magnetismo no es del todo obvio pero se explicara a continuacion De acuerdo con la teoria de Heitler London se forman los llamados moleculares moleculares de dos cuerpos es decir el orbital resultante es ps r 1 r 2 1 2 u A r 1 u B r 2 u B r 1 u A r 2 displaystyle psi mathbf r 1 mathbf r 2 frac 1 sqrt 2 left u A mathbf r 1 u B mathbf r 2 u B mathbf r 1 u A mathbf r 2 right Aqui el ultimo producto significa que un primer electron r1 esta en un orbital de hidrogeno atomico centrado en el segundo nucleo mientras que el segundo electron corre alrededor del primer nucleo Este fenomeno de intercambio es una expresion de la propiedad mecanico cuantica de que las particulas con propiedades identicas no pueden distinguirse Es especifico no solo para la formacion de enlaces quimicos sino que como se vera tambien para el magnetismo es decir en este contexto surge el termino interaccion de intercambio un termino que es esencial para el origen del magnetismo y que es mas fuerte aproximadamente por factores 100 e incluso por 1000 que las energias que surgen de la interaccion electrodinamica dipolo dipolo En cuanto a la funcion de giro x s1 s2 que es responsable del magnetismo tenemos el principio de Pauli ya mencionado a saber que un orbital simetrico es decir con el signo como anteriormente debe multiplicarse con una funcion de giro antisimetrico es decir con un signo y viceversa Asi x s 1 s 2 1 2 a s 1 b s 2 b s 1 a s 2 displaystyle chi s 1 s 2 frac 1 sqrt 2 left alpha s 1 beta s 2 beta s 1 alpha s 2 right Es decir no solo y debe ser sustituido por a y b respectivamente la primera entidad significa spin up la segunda spin down pero tambien el signo por el signo y finalmente indica los valores discretos si por lo tanto tenemos a 1 2 b 1 2 1 displaystyle alpha 1 2 beta 1 2 1 y a 1 2 b 1 2 0 displaystyle alpha 1 2 beta 1 2 0 El estado singlete es decir el signo significa los espines son antiparalelos es decir para el solido tenemos antiferromagnetismo y para las moleculas atomicas uno tiene diamagnetismo La tendencia a formar un enlace quimico homoopolar esto significa la formacion de un orbital molecular simetrico es decir con el signo resulta a traves del principio de Pauli automaticamente en un estado antisimetrico es decir con el signo En contraste la repulsion de los electrones por parte de Coulomb es decir la tendencia a que intenten evitarse mutuamente mediante esta repulsion conduciria a una funcion antisimetrica del absorbente es decir con el signo de estas dos particulas y complementaria a una funcion symmetricspin es decir con el signo una de las llamadas funciones de triplete Asi ahora los espines serian paralelos ferromagnetismo en un solido paramagnetismo en dos gases atomicos La tendencia mencionada por ultima vez predomina en los metales hierro cobalto niquel y en algunas tierras raras que son ferromagneticas La mayoria de los otros metales donde predomina la tendencia mencionada en primer lugar son no magneticos por ejemplo sodio aluminio y magnesio o antiferromagneticos por ejemplo manganeso Los gases diatomicos tambien son casi exclusivamente diamagneticos y no paramagneticos Sin embargo la molecula de oxigeno debido a la participacion de los orbitales p es una excepcion importante para las ciencias de la vida Las consideraciones de Heitler London pueden generalizarse al modelo de magnetismo de Heisenberg Heisenberg 1928 La explicacion de los fenomenos se basa esencialmente en todas las sutilezas de la mecanica cuantica mientras que la electrodinamica cubre principalmente la fenomenologia Unidades EditarUnidades del SI relacionadas con el magnetismo Editar Tesla T unidad de campo magnetico Weber Wb unidad de flujo magnetico Amperio A unidad de corriente electrica que genera campos magneticos Unidades electromagneticas del SISimbolo 22 Nombre Unidad Simbolo Unidades BaseQ carga electrica coulomb C A sI corriente electrica amperio A A W V C s J densidad de corriente electrica amperio por metro cuadrado A m A m 2U DV Df E potential difference fuerza electromotriz voltio V J C kg m s 3 A 1R Z X resistividad electrica impedancia reactancia ohm W V A kg m s 3 A 2r resistividad ohm metro W m kg m s 3 A 2P Energia electrica watt W V A kg m s 3C capacitancia faradio F C V kg 1 m 2 A2 s4FE Flujo electrico voltio metro V m kg m s 3 A 1E campo de desplazamiento electrico voltio por metro V m N C kg m A 1 s 3D electric displacement field Coulomb por metro cuadrado C m A s m 2e permitividad faradios por metro F m kg 1 m 3 A2 s4xe susceptibilidad electrica Adimensional 1 1G Y B conductancia admitancia susceptancia siemens S W 1 kg 1 m 2 s3 A2k g s conductividad siemens por metro S m kg 1 m 3 s3 A2B densidad de flujo magnetico induccion magnetica tesla T Wb m kg s 2 A 1 N A 1 m 1F FM FB flujo magnetico weber Wb V s kg m s 2 A 1H intensidad del campo magnetico amperio por metro A m A m 1L M inductancia henrio H Wb A V s A kg m s 2 A 2m permeabilidad henrio por metro H m kg m s 2 A 2x Susceptibilidad magnetica dimensionless 1 1 Otras unidades Editar Gauss abreviado como G es la unidad CGS de induccion magnetica B Oersted es la unidad CGS de campo magnetico Maxwell es la unidad CGS de flujo magnetico Referencias Editar Historical Beginnings of Theories of Electricity and Magnetism en ingles Consultado el 31 de mayo de 2007 Li Shu hua Origine de la Boussole 11 Aimant et Boussole Isis Vol 45 No 2 jul 1954 p 175 Lozano Leyva Manuel Sabias que Galileo menosprecio el magnetismo por razones economicas 6 de noviembre de 2013 El Pais Historia de la fisica Einstein A On the Electrodynamics of Moving Bodies 30 de junio de 1905 Enlaces externos Editar Wikcionario tiene definiciones y otra informacion sobre magnetismo Wikimedia Commons alberga una categoria multimedia sobre Magnetismo Electromagnetismo de la ciencia a la tecnologia De la brujula al espin El magnetismo Datos Q3294789 Multimedia Magnetism Obtenido de https es 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