Magnetismo L. Estudio General. FÍS.

Categoria:

Física

Puede definirse el m. el agente físico responsable de las fuerzas que ejercen los imanes y las corrientes eléctricas y que es causa del fenómeno de la inducción electromagnética (v.).

Historia. La existencia de fenómenos magnéticos es conocida en Europa desde la Antigüedad; recibieron su nombre de la comarca griega de Magnesia, donde se encontraron minerales, en especial la magnetita (óxido de hierro, Fe304), con la propiedad de atraerse y atraer al hierro. Tales de Mileto (ca. 500 a. C.) cita ya dicha propiedad, que también aparece mencionada en De rerum natura de Lucrecib (s. I a. C.) y en los escritos de Plinio. La primera referencia al empleo del imán como brújula es de fuentes chinas del s. XII, aunque éstas atribuyen el descubrimiento a "extranjeros", sin duda los árabes, a través de los cuales se difundió también en Europa en el s. XIII. En 1269 Petrus Peregrinus escribió una larga Epístola sobre m. y en ella describe la propiedad orientadora de los imanes. En 1589 G. della Porta en su Magia naturalis habla de "polos amigos" y "polos enemigos" y afirma que se pueden obtener imanes por contacto y por frotamiento. Pero el primer trabajo sistemático sobre m. se debe al médico inglés William Gilbert, quien en 1600 publicó el fruto de sus experiencias en el tratado De magnete, que debe ser considerado como uno de los primeros trabajos científicos modernos; en él prueba que la piedra imán está desprovista de una porción de propiedades mágicas que hasta entonces se le atribuían. Desde entonces no se registran avances importantes hasta que Coulomb (v.) en 1789 sienta la ley de la atracción y repulsión entre polos, que lleva su nombre. En 1819 el físico danés H. Ch. Oersted observa que una aguja magnética colocada en las proximidades de un conductor recorrido por una corriente eléctrica se orienta perpendicularmente al mismo, con lo que queda demostrado que las corrientes producen efectos magnéticos; en 1825 A. M. Ampére (v.) descubre que dos conductores portadores de corrientes se ejercen fuerzas mutuas y emite la hipótesis de que el m. de los imanes está producido por corrientes moleculares, teoría que, en lo fundamental, sería confirmado con el tiempo. Ampére y F. Arago obtuvieron imanes artificiales mediante la influencia de las corrientes sobre barras de hierro y W. Sturgeon, también en 1825, obtuvo y dio nombre al primer electroimán. En 1831 M. Faraday consiguió producir corrientes eléctricas mediante la variación de un campo magnético. Con ello quedaron descubiertos los dos hechos básicos del electromagnetismo: Las corrientes producen campos magnéticos y los campos magnéticos producen corrientes en determinadas circunstancias. Sentadas estas bases, y como consecuencia de ellas, los nuevos descubrimientos y aplicaciones se han sucedido ininterrumpidamente hasta nuestros días. Imanes. Un imán es una pieza de materia dotada de propiedades magnéticas manifiestas: atrae al hierro, a otros metales de su grupo y a determinadas aleaciones de ellos, en los que pueden entrar también pequeñas cantidades de otros elementos. En un imán existen dos puntos en los que los fenómenos magnéticos aparecen más acusados; así, si se espolvorean limaduras de hierro sobre un papel, debajo del cual se ha colocado un imán, las limaduras se agrupan preferentemente en dichos puntos, situados en las proximidades de los extremos. Se les llama polos del imán. Si éste se suspende de un hilo para que pueda orientarse libremente, tino de sus polos queda apuntando aproximadamente al polo norte geográfico y el otro al polo sur geográfico. De este hecho reciben sus nombres los polos del imán; el que se orienta al norte se llama polo norte y el otro polo sur. Esta orientación es debida a que los polos del mismo nombre se repelen y los de nombre contrario se atraen. Resulta, pues, que considerada la Tierra como un imán, su polo norte es el que conocemos como polo sur magnético y el polo sur del imán terrestre es el conocido como polo norte magnético terrestre.

Una característica notable de los imanes es la imposibilidad de aislar un polo: si se parte un imán en trozos, cada uno de ellos es un nuevo imán con dos polos.

Se obtienen imanes por frotamiento de un material ferromagnético con un imán previamente disponible, o bien colocando dicho material temporalmente entre los polos de un electroimán o colocándolo en el interior de un solenoide por el que se hace pasar brevemente una corriente intensa. Este último procedimiento es el que permite mejores resultados. En la actualidad se preparan imanes casi permanentes usando como material ferromagnético las aleaciones de Honda y Saito (acero, cobalto y wolframio o cromo) o la coercita de Krupp (acero, manganeso y cobalto).

Un electroimán está constituido por un conductor arrollado sobre una pieza de hierro dulce (fig. 1), que puede tener distintas formas, según sus aplicaciones, aunque la más frecuente es la de herradura. Se emplea hierro dulce porque este material pierde su magnetización al cesar la corriente que circula por el conductor. Por el contrario, el acero la conserva convirtiéndose en un imán permanente. Un electroimán es, por tanto, un imán cuyo magnetismo queda limitado al tiempo de paso de la corriente por un conductor.

Campo magnético. La acción que ejercen los imanes y las corrientes es debida a una perturbación que sufre el espacio que los circunda por la presencia de aquéllos. A esta perturbación se la llama campo magnético (fig. 1).

Característicos de un campo magnético son los vectores B (inducción magnética) y H (intensidad del campo magnético o excitación magnética) definidos en el artículo ELECTROMAGNETISMO para campos creados por una corriente.

Equivalencia entre imanes y corrientes. La acción que ejerce un campo, cuya inducción sea B, sobre un circuito cerrado (fig. 2), es un par de fuerzas de momento:

M=I(n x B) (1) siendo I la intensidad de la corriente en el circuito y n un vector de módulo igual a la superficie del circuito, perpendicular al plano de éste y tomado sobre la cara desde la que se ve circular la corriente en sentido contrario a las agujas del reloj (cara norte). Este par tiende a situar el plano del circuito perpendicularmente a B y de manera que los vectores n y B sean paralelos y del mismo sentido, es decir, que las líneas de B atraviesen el plano del circuito en el sentido de la cara sur a la cara norte. Si el circuito es un solenoide (circuito en forma de bobina) de N espiras, M será N veces mayor, tomando (1) la forma

M=NI(n x B) (2)

Si en (1) se hace

m=In

y en (2)

m~L NIn,

tanto la (1) como la (2) toman la forma:

M=(m x B) (3) A la magnitud vectorial m se la denomina momento magnético del solenoide, al que caracteriza desde el punto de vista magnético.

Sea ahora un pequeño imán (magnetómetro) situado en un campo de inducción B, y en condiciones de orientarse libremente. Se observa que sobre el imán actúa un par de fuerzas cuyo momento depende de dos factores: el campo B y otro, también vectorial, característico del imán, que representamos por m, de manera que el momento del par es:

M=m x B (4) El vector m tiene el sentido sur-norte del imán y se denomina momento magnético del mismo y el par M tiende a orientar el imán de manera que las líneas de fuerza de B le entren por el polo sur y le salgan por el polo norte.

Las fórmulas (3) y (4) son idénticas y ponen de ma

nifiesto que un imán y un solenoide que tengan el mismo momento magnético se comportan de igual forma en presencia de un determinado campo magnético.

En un imán de longitud 1 se puede definir la magnitud

m

p - t (5) siendo m el módulo de m. Igualmente, en un solenoide definimos

m I.1

p= 1 = d n (6) (siendo n el área de su sección). En (5) y en (6) la magnitud p se llama polo del imán o del solenoide, res

pectivamente, que así resulta ser una magnitud derivada del momento magnético, debiendo considerarse a este último como la verdadera característica magnética del imán o del solenoide.

De (4) y (5) se deduce que el par M puede obtenerse por la actuación de dos fuerzas

F= ±pB

iguales y de sentido contrario aplicadas una sobre cada polo, que tienden a orientar el imán (o el solenoide) en el sentido de B. Si B es producido por otro imán o solenoide de polo p’ se cumple la ley de Coulomb para polos o masas magnéticas (similar a la que enunció para cargas eléctricas y a la de Newton para masas gravitatorias), que en el sistema de Giorgi toma la forma:

_ p.p, P-w 47rrz

siendo la constante w la permeabilidad del medio y la fuerza atractiva si p y p’ son de distinto nombre y repulsiva si son del mismo nombre.

Origen del magnetismo. Ya hemos indicado que las corrientes eléctricas (o más simplemente las cargas eléctricas en movimiento) producen campos magnéticos. En particular, un circuito cerrado (una espira) recorrido por una corriente produce un campo cuyas líneas de fuerza entran por la cara sur y salen por la norte. En un átomo (v.) los electrones describen órbitas alrededor del núcleo que pueden considerarse como circuitos elementales con un momento magnético orbital m (fig. 3). Los electrones poseen, además, un movimiento de rotación (spin), que da origen a otro momento magnético m’; m y m son paralelos y pueden tener el mismo sentido o sentido contrario. Se toma como unidad de momento magnético de los átomos el momento magnético orbital del electrón del átomo de hidrógeno, al que se denomina magnetrón de Bohr y cuyo valor es de 9,274-10-24 A.mz. Si en un átomo ocurre que los momentos orbitales y de spin de sus electrones no se compensan en su conjunto, debido a la orientación de las órbitas, el átomo es paramagnético (v. MATERIA II, 4), pues al aplicarle un campo exterior, el momento magnético neto del átomo se orienta según dicho campo, que queda con ello reforzado. Si, por el contrario, existe compensación en el conjunto de los momentos orbitales y de spin, el átomo sería indiferente al campo aplicado, de no ocurrir una acción (fuerza de Lorentz) del campo sobre los electrones, que hace que la velocidad de éstos disminuya y que su momento orbital quede modificado con una variación que es siempre contraria al campo y que debilita a éste. El átomo es entonces diamagnético.

Unidades. En el sistema de Giorgi la unidad de inducción se deduce de la fórmula de Lorentz cuando la carga eléctrica q se mueve perpendicularmente a B con velocidad v

F=qvB

haciendo

F=1 N; q=1 cul.; v=1 m/seg.

A dicha unidad se la llama weber/mz (o tesla), debido a ser el weber la unidad de flujo de inducción, que se define, a su vez, a partir de la ley de Faraday,

E=

Ot

La variación de flujo 0(D a través de un circuito es de un weber cuando teniendo lugar en un segundo, la fem inducida es de un voltio.

En el sistema electromagnético de unidades (u.e.m.) la unidad de inducción es el gauss, siendo 1 gauss=10-4 weber/mz. En este sistema la unidad de flujo es el maxwell, que equivale a 10-8 weber.

V. t.: ELECTROMAGNETISMO; INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA; CIRCUITOS NIAGNÉTICOS; MATERIA 11, 4,

S. PASTOR DOMÍNGUEZ.

BIBL.: J. CATALÁ, Física general, 4 ed. Valencia 1966; F. W. SEARS, Electricidad y magnetismo, 6 ed. Madrid 1972; B. I. y B. BLEANEY, Electricity and magnetism, Oxford 1959; J, PALACIOS, Electricidad y magnetismo, Madrid 1959; J. CABRERA, Introducción a la Física teórica, 11 (Electricidad y óptica), 5 ed. Zaragoza 1966.