Magnetismo

Ferrofluid "spiked" por un imán de cubo de neodimio, siguiendo su campo magnético

Magnetismo es la clase de atributos físicos que están mediados por un campo magnético, que se refiere a la capacidad de inducir fenómenos de atracción y repulsión en otras entidades. Las corrientes eléctricas y los momentos magnéticos de las partículas elementales dan lugar a un campo magnético, que actúa sobre otras corrientes y momentos magnéticos. El magnetismo es un aspecto de los fenómenos combinados del electromagnetismo. Los efectos más familiares ocurren en los materiales ferromagnéticos, que son fuertemente atraídos por los campos magnéticos y pueden magnetizarse para convertirse en imanes permanentes, produciendo ellos mismos campos magnéticos. También es posible desmagnetizar un imán. Solo unas pocas sustancias son ferromagnéticas; los más comunes son el hierro, el cobalto y el níquel y sus aleaciones. Los metales de tierras raras neodimio y samario son ejemplos menos comunes. El prefijo ferro- se refiere al hierro porque el magnetismo permanente se observó por primera vez en la piedra imán, una forma de mineral de hierro natural llamada magnetita, Fe₃O₄.

Todas las sustancias exhiben algún tipo de magnetismo. Los materiales magnéticos se clasifican según su susceptibilidad a granel. El ferromagnetismo es responsable de la mayoría de los efectos del magnetismo que se encuentran en la vida cotidiana, pero en realidad existen varios tipos de magnetismo. Las sustancias paramagnéticas, como el aluminio y el oxígeno, son atraídas débilmente por un campo magnético aplicado; las sustancias diamagnéticas, como el cobre y el carbono, se repelen débilmente; mientras que los materiales antiferromagnéticos, como el cromo y los vidrios giratorios, tienen una relación más compleja con un campo magnético. La fuerza de un imán sobre materiales paramagnéticos, diamagnéticos y antiferromagnéticos suele ser demasiado débil para sentirla y solo puede detectarse con instrumentos de laboratorio, por lo que en la vida cotidiana, estas sustancias a menudo se describen como no magnéticas.

El estado magnético (o fase magnética) de un material depende de la temperatura, la presión y el campo magnético aplicado. Un material puede exhibir más de una forma de magnetismo a medida que cambian estas variables.

La fuerza de un campo magnético casi siempre disminuye con la distancia, aunque la relación matemática exacta entre la fuerza y la distancia varía. Diferentes configuraciones de momentos magnéticos y corrientes eléctricas pueden resultar en campos magnéticos complicados.

Solo se han observado dipolos magnéticos aunque algunas teorías predicen la existencia de monopolos magnéticos.

Historia

Lodestone, un imán natural, que atrae las uñas de hierro. Los humanos antiguos descubrieron la propiedad del magnetismo de la piedra preciosa.

Una ilustración del 1600 de Gilbert De Magnete mostrando uno de los primeros métodos de hacer un imán. Un herrero sostiene un pedazo de hierro rojo caliente en una dirección norte-sur y lo martilla mientras se enfría. El campo magnético de la Tierra alinea los dominios, dejando al hierro un imán débil.

Dibujo de un tratamiento médico con pinceles magnéticos. Charles Jacque 1843, Francia.

El magnetismo se descubrió por primera vez en el mundo antiguo cuando la gente notó que las piedras de imán, piezas naturalmente magnetizadas del mineral magnetita, podían atraer el hierro. La palabra imán proviene del término griego μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "la piedra de Magnesia, piedra imán". En la antigua Grecia, Aristóteles atribuyó la primera de lo que podría llamarse una discusión científica sobre el magnetismo al filósofo Tales de Mileto, que vivió entre el 625 a. C. y el 545 a. C. aproximadamente. El antiguo texto médico indio Sushruta Samhita describe el uso de magnetita para eliminar flechas incrustadas en el cuerpo de una persona.

En la antigua China, la primera referencia literaria al magnetismo se encuentra en un libro del siglo IV a. C. que lleva el nombre de su autor, Guiguzi. Los anales del siglo II a. C., Lüshi Chunqiu, también señalan: "La piedra imán hace que el hierro se acerque; alguna (fuerza) lo está atrayendo." La primera mención de la atracción de una aguja se encuentra en una obra del siglo I Lunheng (Investigaciones equilibradas): "Una piedra imán atrae una aguja". El científico chino del siglo XI Shen Kuo fue la primera persona en escribir, en los Dream Pool Essays, sobre la brújula de aguja magnética y que mejoró la precisión de la navegación al emplear el concepto astronómico del norte verdadero. En el siglo XII, se sabía que los chinos usaban la brújula de piedra imán para la navegación. Esculpieron una cuchara direccional de piedra imán de tal manera que el mango de la cuchara siempre apuntaba hacia el sur.

Alexander Neckam, en 1187, fue el primero en Europa en describir la brújula y su uso para la navegación. En 1269, Peter Peregrinus de Maricourt escribió la Epistola de magnete, el primer tratado existente que describe las propiedades de los imanes. En 1282, Al-Ashraf Umar II, un físico, astrónomo y geógrafo yemení, discutió las propiedades de los imanes y las brújulas secas.

La única obra existente de Leonardo Garzoni, Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita, es el primer ejemplo conocido de un tratamiento moderno de los fenómenos magnéticos. Escrito en años cercanos a 1580 y nunca publicado, el tratado tuvo una amplia difusión. En particular, Niccolò Cabeo se refiere a Garzoni como un experto en magnetismo, cuya Philosophia Magnetica (1629) es solo un reajuste del trabajo de Garzoni. El tratado de Garzoni también fue conocido por Giovanni Battista Della Porta.

En 1600, William Gilbert publicó su De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (Sobre el imán y los cuerpos magnéticos, y sobre el gran imán de la Tierra). En este trabajo describe muchos de sus experimentos con su tierra modelo llamada terrella. A partir de sus experimentos, concluyó que la Tierra en sí misma era magnética y que esta era la razón por la que las brújulas apuntaban al norte mientras que, anteriormente, algunos creían que era la estrella polar Polaris o una gran isla magnética en el polo norte lo que atraía la brújula.

La comprensión de la relación entre la electricidad y el magnetismo comenzó en 1819 con el trabajo de Hans Christian Ørsted, profesor de la Universidad de Copenhague, quien descubrió, al mover accidentalmente la aguja de una brújula cerca de un cable, que una corriente eléctrica podría crear un campo magnético. Este experimento histórico se conoce como Experimento de Ørsted. Después de esto hubo varios otros científicos' experimentos, con André-Marie Ampère, quien en 1820 descubrió que el campo magnético que circulaba en un camino cerrado estaba relacionado con la corriente que fluía a través de una superficie encerrada por el camino; Carl Friedrich Gauss; Jean-Baptiste Biot y Félix Savart, quienes en 1820 propusieron la ley de Biot-Savart dando una ecuación para el campo magnético de un cable que transporta corriente; Michael Faraday, quien en 1831 descubrió que un flujo magnético variable en el tiempo a través de un bucle de alambre inducía un voltaje, y otros encontraron vínculos adicionales entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y amplió estos conocimientos en las ecuaciones de Maxwell, unificando la electricidad, el magnetismo y la óptica en el campo del electromagnetismo. En 1905, Albert Einstein usó estas leyes para motivar su teoría de la relatividad especial, requiriendo que las leyes se cumplieran en todos los marcos de referencia inerciales.

El electromagnetismo ha seguido desarrollándose en el siglo XXI y se ha incorporado a las teorías más fundamentales de la teoría de calibre, la electrodinámica cuántica, la teoría electrodébil y, por último, el modelo estándar.

Tipos de magnetismo

Jerarquía de tipos de magnetismo.

Electroimán

Un electromagnet atrae clips de papel cuando la corriente se aplica creando un campo magnético. El electromagnet los pierde cuando se eliminan el campo actual y magnético.

Magnetismo, electricidad y relatividad especial

Campos magnéticos en un material

Fuerza magnética

Líneas magnéticas de fuerza de un imán de barras mostradas por archivos de hierro en papel

Dipolos magnéticos

Unidades

SI

Seres vivos

Una rana viva levita dentro de un agujero vertical de 32 mm de diámetro de un solenoide Bitter en un campo magnético muy fuerte - cerca de 16 teslas

Origen cuántico-mecánico del magnetismo

Si bien se pueden formular explicaciones heurísticas basadas en la física clásica, el diamagnetismo, el paramagnetismo y el ferromagnetismo sólo se pueden explicar completamente utilizando la teoría cuántica. Un modelo exitoso ya fue desarrollado en 1927, por Walter Heitler y Fritz London, que derivaron, cuántica-mecánicamente, cómo las moléculas de hidrógeno se forman a partir de átomos de hidrógeno, es decir, de las órbitas atómicas de hidrógeno uA{displaystyle U_{A} y uB{displaystyle U_{B} centrado en los núcleos A y B, ver abajo. Que esto conduce al magnetismo no es en absoluto obvio, pero se explicará en lo siguiente.

Magnetismo inducido ópticamente

El magnetismo inducido ópticamente es esencialmente la combinación de la óptica y el magnetismo inducido. La óptica es el estudio del comportamiento de la luz y el magnetismo inducido es cuando un objeto se mantiene cerca de un imán y el objeto mismo se vuelve magnético [1].