11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos

Breve historia del magnetismo

Los imanes se encuentran habitualmente en objetos cotidianos, como juguetes, perchas, elevadores, timbres y dispositivos informáticos. La experimentación con estos imanes muestra que todos los imanes tienen dos polos: uno está marcado como norte (N) y el otro como sur (S). Los polos magnéticos se repelen si son iguales (ambos N o ambos S), se atraen si son opuestos (uno N y el otro S) y ambos polos de un imán atraen trozos de hierro no magnetizados. Un punto importante que se debe tener en cuenta aquí es que no se puede aislar un polo magnético individual. Toda pieza de un imán, por pequeña que sea, que contenga un polo norte debe contener también un polo sur.

Un ejemplo de imán es la aguja de brújula. Se trata simplemente de una barra magnética delgada suspendida en su centro, por lo que es libre de girar en un plano horizontal. La propia Tierra también actúa como una gran barra magnética, con su polo sur cerca del Polo Norte geográfico (Figura 11.2). El polo norte de una brújula es atraído hacia el Polo Norte geográfico de la Tierra porque el polo magnético que está cerca del Polo Norte geográfico es en realidad un polo sur magnético. La confusión se debe a que el término geográfico "Polo Norte" se ha llegado a utilizar (incorrectamente) para el polo magnético que está cerca del Polo Norte. Por lo tanto, el "polo norte magnético" es en realidad un término erróneo: debería llamarse polo sur magnético (observe que la orientación del campo magnético de la Tierra no es permanente, sino que cambia ["da la vuelta”] tras largos intervalos de tiempo. Con el tiempo, el polo norte magnético de la Tierra podría situarse cerca de su Polo Norte geográfico).

Figura 11.2 El polo norte de una aguja de brújula apunta hacia el polo sur de un imán, que es como se orienta el campo magnético actual desde el interior de la Tierra. También apunta hacia el polo norte geográfico de la Tierra porque el polo norte geográfico está cerca del polo sur magnético.

En 1819, el físico danés Hans Oersted realizaba una demostración para unos estudiantes y se dio cuenta de que la aguja de brújula se movía cuando circulaba corriente por un cable cercano. La investigación posterior de este fenómeno convenció a Oersted de que una corriente eléctrica podía provocar de algún modo una fuerza magnética. Informó de este hallazgo en una reunión de 1820 de la Academia Francesa de Ciencias.

Poco después de este informe, las investigaciones de Oersted fueron repetidas y ampliadas por otros científicos. Entre los trabajos más importantes se encuentran los de Jean-Baptiste Biot y Felix Savart, que investigaron las fuerzas que ejercen las corrientes sobre los imanes; André Marie Ampère, que estudió las fuerzas que ejerce una corriente sobre otra; François Arago, que descubrió que el hierro podía ser magnetizado por una corriente; y Humphry Davy, que descubrió que un imán ejerce una fuerza sobre un cable que porta una corriente eléctrica. Dentro de los 10 años del descubrimiento de Oersted, Michael Faraday descubrió que el movimiento relativo de un imán y un cable de metal inducía corriente en el cable. Este hallazgo demostró no solo que una corriente tiene un efecto magnético, sino que un imán puede generar corriente eléctrica. Más adelante verá que los nombres de Biot, Savart, Ampère y Faraday están relacionados con algunas de las leyes fundamentales del electromagnetismo.

Las pruebas de estos diversos experimentos llevaron a Ampère a proponer que la corriente eléctrica es la fuente de todos los fenómenos magnéticos. Para explicar los imanes permanentes, sugirió que la materia contiene bucles de corriente microscópicos que se alinean de algún modo cuando un material se magnetiza. Hoy sabemos que los imanes permanentes se crean en realidad por la alineación de los electrones que giran, una situación bastante similar a la propuesta por Ampère. Este modelo de imanes permanentes fue desarrollado por Ampère casi un siglo antes de que se comprendiera la naturaleza atómica de la materia (para conocer un tratamiento mecánico cuántico completo de los espines magnéticos, consulte Mecánica cuántica y Estructura atómica).

Aplicaciones contemporáneas del magnetismo

Hoy en día, el magnetismo desempeña muchas funciones importantes en nuestras vidas. La comprensión del magnetismo por parte de los físicos ha permitido el desarrollo de tecnologías que afectan tanto a los individuos como a la sociedad. La tableta electrónica que lleva en su bolso o mochila, por ejemplo, no habría sido posible sin las aplicaciones del magnetismo y la electricidad a pequeña escala (Figura 11.3). Se descubrió que los débiles cambios de un campo magnético en una fina película de hierro y cromo provocan cambios mucho mayores en la resistencia, llamados magnetorresistencia gigante. La información puede entonces registrarse magnéticamente en función de la dirección en que se magnetiza la capa de hierro. Gracias al descubrimiento de la magnetorresistencia gigante y sus aplicaciones al almacenamiento digital, el Premio Nobel de Física 2007 fue concedido al francés Albert Fert y al alemán Peter Grunberg.

Figura 11.3 La tecnología de la ingeniería, como el almacenamiento informático, no sería posible sin un profundo conocimiento del magnetismo (créditos: Klaus Eifert).

Todos los motores eléctricos (con usos tan diversos como alimentar refrigeradores, arrancar automóviles o mover elevadores) contienen imanes. Los generadores, ya sea para producir energía hidroeléctrica o para hacer funcionar las luces de las bicicletas, utilizan campos magnéticos. Las instalaciones de reciclaje emplean imanes para separar el hierro de otros residuos. La investigación sobre el uso de la contención magnética de la fusión como futura fuente de energía continúa desde hace varios años. La imagen de resonancia magnética (IRM) se ha convertido en una importante herramienta de diagnóstico en el campo de la medicina, y el uso del magnetismo para explorar la actividad cerebral es un tema de investigación y desarrollo contemporáneo. La lista de aplicaciones incluye también discos duros de computadoras, grabación de cintas, detección de amianto inhalado y levitación de trenes de alta velocidad. El magnetismo interviene en la estructura de los niveles de energía atómica, así como en el movimiento de los rayos cósmicos y las partículas cargadas atrapadas en los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra. Una vez más, vemos que todos estos fenómenos dispares están vinculados por un pequeño número de principios físicos subyacentes.