El magnetismo es una propiedad fundamental de la naturaleza. Debido a que no existe una «Teoría Unificada de la Física», nuestro conocimiento del magnetismo, como todo lo demás, es incompleto.
QUÉ ES EL MAGNETISMO
Los momentos angulares de los electrones (y, en menor medida, los núcleos) imparten algunas características magnéticas a todos los materiales. Sin embargo, el magnetismo se extiende como un campo mucho más allá del nivel atómico y está íntimamente relacionado con los fenómenos eléctricos.
Cualquier corriente, carga en movimiento o potencial eléctrico cambiante también genera un campo magnético.
Para los antiguos, el magnetismo era una fuerza reconocida pero misteriosa. Los griegos que vivían en Magnesia encontraban ocasionalmente rocas de color marrón oscuro raras y maravillosas que tenían el poder de atraer objetos hechos de hierro.
Conocidas como piedras imán, eran trozos de óxido de hierro (magnetita) que probablemente habían sido alcanzados por un rayo. Se descubrieron piedras similares en Asia y, en el siglo XII, los chinos las usaron para fabricar brújulas de navegación.
Hoy en día, incluso los niños pequeños están familiarizados con la atracción y repulsión de los imanes permanentes de mano, los sucesores modernos de las piedras imán.
La historia
Los antiguos griegos, originalmente los que estaban cerca de la ciudad de Magnesia, y también los primeros chinos conocían piedras extrañas y raras (posiblemente trozos de mineral de hierro caídos por un rayo) con el poder de atraer el hierro.
Una aguja de acero acariciada con tal «piedra imán» se volvió «magnética» también, y alrededor de 1000 los chinos descubrieron que tal aguja, cuando estaba suspendida libremente, apuntaba de norte a sur.
La brújula magnética pronto se extendió a Europa. Colón lo usó cuando cruzó el océano Atlántico, notando no solo que la aguja se desvió ligeramente del norte exacto (como lo indican las estrellas) sino también que la desviación cambió durante el viaje.
Hacia 1600 William Gilbert, médico de la reina Isabel I de Inglaterra, propuso una explicación: la Tierra misma era un imán gigante, con sus polos magnéticos a cierta distancia de los geográficos (es decir, cerca de los puntos que definen el eje alrededor del cual gira la Tierra).
LA MAGNETOSFERA
En la Tierra se necesita una aguja sensible para detectar las fuerzas magnéticas, y en el espacio suelen ser mucho, mucho más débiles. Pero más allá de la atmósfera densa, tales fuerzas tienen un papel mucho más importante, y existe una región alrededor de la Tierra donde dominan el medio ambiente, una región conocida como la magnetosfera de la Tierra.
Solo algunos de los fenómenos observados en tierra provienen de la magnetosfera: fluctuaciones del campo magnético conocidas como tormentas magnéticas y subtormentas, y la aurora polar o «aurora boreal», que aparecen en los cielos nocturnos de lugares como Alaska y Noruega.
Los satélites en el espacio, sin embargo, detectan mucho más: cinturones de radiación, estructuras magnéticas, partículas de flujo rápido y procesos que las energizan. Todos estos se describen en las secciones siguientes.
PERO, ¿QUÉ ES EL MAGNETISMO?
Hasta 1821, solo se conocía un tipo de magnetismo, el producido por imanes de hierro. Luego, un científico danés, Hans Christian Oersted, mientras demostraba a sus amigos el flujo de una corriente eléctrica en un cable, notó que la corriente hacía que se moviera la aguja de una brújula cercana.
El nuevo fenómeno fue estudiado en Francia por Andre-Marie Ampere, quien concluyó que la naturaleza del magnetismo era bastante diferente de lo que todos habían creído.
En la naturaleza, los campos magnéticos se producen en el gas enrarecido del espacio, en el calor incandescente de las manchas solares y en el núcleo fundido de la Tierra. Tal magnetismo debe ser producido por corrientes eléctricas, pero encontrar cómo se producen esas corrientes sigue siendo un gran desafío.
Michael Faraday, a quien se le atribuyen descubrimientos fundamentales sobre la electricidad y el magnetismo (una unidad eléctrica se llama «Farad» en su honor), también propuso un método ampliamente utilizado para visualizar campos magnéticos.
Imagina la aguja de una brújula suspendida libremente en tres dimensiones, cerca de un imán o de una corriente eléctrica. Podemos trazar en el espacio (¡al menos en nuestra imaginación!) Las líneas que uno obtiene cuando «sigue la dirección de la aguja de la brújula». Faraday las llamó líneas de fuerza, pero el término líneas de campo ahora es de uso común.
LÍNEAS DE CAMPO
Las líneas de campo de una barra magnética se ilustran comúnmente con limaduras de hierro rociadas en una hoja de papel sostenida sobre un imán. De manera similar, las líneas de campo de la Tierra comienzan cerca del polo sur de la Tierra, se curvan en el espacio y convergen nuevamente cerca del polo norte.
Sin embargo, en la magnetosfera de la Tierra, las corrientes también fluyen a través del espacio y modifican este patrón: en el lado que mira al Sol, las líneas de campo se comprimen hacia la tierra, mientras que en el lado nocturno se extraen en una «cola» muy larga, como la de un cometa.
Cerca de la Tierra, sin embargo, las líneas permanecen muy cercanas al «patrón dipolar» de un imán de barra, llamado así por sus dos polos.
Para Faraday, las líneas de campo eran principalmente un método para mostrar la estructura de la fuerza magnética.
En la investigación espacial, sin embargo, tienen un significado mucho más amplio, porque los electrones y los iones tienden a permanecer unidos a ellos, como perlas en un cable, e incluso quedan atrapados cuando las condiciones son adecuadas.
Debido a este apego, definen una «dirección fácil» en el gas enrarecido del espacio, como la veta de un trozo de madera, una dirección en la que los iones y electrones, así como las corrientes eléctricas (y ciertas ondas de tipo radio), puede moverse fácilmente; por el contrario, el movimiento de una línea a otra es más difícil.
Un mapa de las líneas del campo magnético de la magnetosfera, como el que se muestra arriba (a partir de un modelo matemático del campo), dice de un vistazo cómo están vinculadas las diferentes regiones y muchas otras propiedades importantes.
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Faraday no solo vio el espacio alrededor de un imán lleno de líneas de campo, sino que también desarrolló una noción intuitiva (y quizás mística) de que dicho espacio estaba modificado en sí mismo, incluso si era un vacío total.
Su contemporáneo más joven, el gran físico escocés James Clerk Maxwell, colocó esta noción sobre una base matemática firme, incluyendo en ella tanto las fuerzas eléctricas como las magnéticas. Un espacio tan modificado se conoce ahora como campo electromagnético.
Hoy en día, los campos electromagnéticos (y también otros tipos de campos) son una piedra angular de la física. Sus ecuaciones básicas, derivadas por Maxwell, sugerían que podían experimentar un movimiento ondulatorio, propagándose con la velocidad de la luz, y Maxwell adivinó correctamente que en realidad se trataba de luz y que la luz era de hecho una onda electromagnética.
Heinrich Hertz en Alemania, poco después, produjo tales ondas por medios eléctricos, en la primera demostración de laboratorio de ondas de radio.
Hoy en día se conoce una amplia variedad de tales ondas, desde radio (ondas muy largas, frecuencia relativamente baja) hasta microondas, infrarrojos, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma (ondas muy cortas, frecuencia extremadamente alta). .
