Aplicaciones del magnetismo

Como hemos dicho anteriormente el magnetismo forma parte de una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, sin ella no existiría la vida ni el universo tal y como lo conocemos. El núcleo de nuestro planeta genera un campo magnético protector que nos envuelve de norte a sur protegiéndonos de las peligrosas radiaciones cósmicas que nos llegan de todas partes del universo.

La brújula fue uno de los primeros instrumentos en donde se utilizó una aguja magnetizada que apuntaba al norte magnético terrestre, ayudando a los navegantes y viajeros a explorar nuevos territorios y caminos.

Gracias a los descubrimientos de Faraday y el conocimiento sobre el fenómeno electromagnético hemos podido desarrollar generadores de electricidad que producen la energía eléctrica necesaria para alimentar a todos los aparatos electrónicos que utilizamos diariamente, por otro lado hemos desarrollado los motores eléctricos utilizados en una amplia gama de máquinas y aparatos como ventiladores, bombas de extracción, electrodomésticos, ascensores, motocicletas, etc...

Trenes de levitación magnética, espectrómetros de masas, sistemas de almacenamiento de archivos digitales como los discos duros, resonancias magnéticas, detectores de metales, altavoces, micrófonos, clasificadores de materiales e incluso los aceleradores de partículas como el LHC basan su funcionamiento en el fenómeno del magnetismo.

Ahora que ya conoces lo que es el magnetismo, ¿sabías que existen en el universo las magnetoestrellas?, estas estrellas de neutrones altamente comprimidas disponen de los campos magnéticos más potentes de todo el universo, sin lugar a duda son los imanes más fuertes de todo el cosmos.

¿Qué es el magnetismo?

El magnetismo se define como el fenómeno físico por medio del cual ciertos materiales tienen la capacidad de atraer o repeler a otros materiales, basándose su origen en el movimiento de partículas cargadas el magnetismo forma parte de la fuerza electromagnética siendo una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Muchos de nosotros hemos experimentado con el magnetismo mediante el uso de imanes, un imán es un material que dispone de una alta capacidad magnética para atraer a materiales ferromagnéticos como el hierro, acero, níquel... así como de repeler o atraer a otros imanes, el origen de dichas fuerzas de atracción o repulsión magnética reside en la distribución a nivel atómico de los electrones que componen el imán.

Tal y como hemos descrito en la definición de magnetismo su origen físico reside en la existencia de partículas cargadas eléctricamente y en movimiento, por ello los electrones son considerados como pequeños imanes dado a que son partículas cargadas las cuales se mueven u orbitan alrededor del núcleo atómico así como giran sobre su propio eje de simetría (espín). Todos estos movimientos de los electrones crean pequeñas fuerzas magnéticas las cuales son responsables de la capacidad magnética de un material u otro.

Realmente todos los materiales son magnéticos lo que ocurre es que existen materiales que disponen de una distribución desigual de sus electrones anulándose las distintas fuerzas magnéticas originadas, por otro lado existen materiales que disponen de una gran cantidad de electrones distribuidos en una misma dirección de tal forma que las distintas fuerzas magnéticas orginadas se suman creando un efecto magnético a escala macroscópica.

Por otro lado cuando hacemos circular un flujo de electrones a través de una cable eléctrico, es decir aplicamos una corriente eléctrica, obtenemos magnetismo debido al movimiento de dichos electrones a través del cable, por lo que la electricidad y el magnetismo se encuentran estrechamente ligados siendo considerados a ambos como un único fenómeno físico conocido como electromagnetismo el cual junto con la gravedad, la nuclear débil y la nuclear fuerte componen las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Esta estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo hace que cualquier campo magnético lleve asociado un campo eléctrico y viceversa, el conocimiento de dichos fenómenos han permitido el desarrollo de generadores eléctricos mediante la rotación de imanes cerca de una bobina así como el desarrollo de los motores eléctricos los cuales mediante la aplicación de corriente eléctrica próxima a un imán producen un movimiento mecánico el cual puede ser aprovechado para mover por ejemplo las ruedas de una motocicleta.

Descubrimiento e historia del magnetismo

El fenómeno del magnetismo era conocido por antiguas civilizaciones como los fenicios, egipcios y persas entre otros, pero fue el filósofo griego Tales de Mileto en ser el primer testimonio escrito sobre este extraño fenómeno al afirmar que las magnetitas tenían alma al poder atraer partículas de hierro.

Pero no fue hasta el año 1600 cuando el médico e investigador William Gilbert publicó su famoso libro "De Magnete" donde se recogía todas sus investigaciones científicas sobre el fenómeno del magnetismo. Willian Gilbert fue el primero en identificar a nuestro planeta Tierra como un gigantesco imán cuyos polos están próximos a los polos geográficos explicando la orientación de las brújulas apuntando al norte, por otro lado describió los fenómenos de imantación sobre otros materiales así como la influencia de la temperatura sobre las capacidades magnéticas.

Posteriormente en el año 1820 el físico y químico danés Han Christian Oersted demostró la relación existente entre la electricidad y el magnetismo cuando al colocar un brújula imantada cerca de un alambre por donde fluía cierta corriente eléctrica observó como la brújula se movió y se colocó perpendicularmente al alambre, Oersted fue el primer científico en acuñar la palabra electromagnetismo.

El gran físico experimentador y científico Michel Faraday profundizó sobre los experimentos de Oersted descubriendo la inducción electromagnética por medio de la cual desarrolló el primer motor eléctrico de la historia.

En el año 1865 el matemático y físico James Clark Maxwell desarrolló las ecuaciones matemáticas que describían todos los fenómenos descubiertos y descritos anteriormente por Faraday y Oersted, gracias a la ecuaciones de Maxwell la teoría electromagnética revolucionó la física de aquella época al relacionar matemáticamente el magnetismo y la electricidad bajo una misma teoría y al predecir la existencia de ondas electromagnéticas las cuales fueron descubiertas por el físico Heinrich Hertz en 1888 siendo la base del desarrollo del mundo de las telecomunicaciones como la radio, la televisión o el teléfono.

El magnetismo o energía magnética es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. El magnetismo también tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los 2 componentes de la radiación electromagnética, como por ejemplo, la luz.

Explicación del magnetismo

Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán (véase momento dipolar magnético electrónico). Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados.

Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula por una bobina (ver dipolo magnético). De nuevo, en general el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total medible.

El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica.

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, éste 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.

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 dado 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 ésta, 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, ésta da una dirección de la fuerza electromotriz (fem) y la corriente resultante de una inducción electromagnética.

Clasificación de los materiales magnéticos[editar]

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, ésta 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 aún 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.