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Magnetismo

¿Qué es el magnetismo?

«Magnetismo» es un término que engloba todos los fenómenos atribuidos a las fuerzas magnéticas. Históricamente, las fuerzas magnéticas se observaron por primera vez en piedras de la ciudad griega de Magnesia. Por esta razón, «magnetismo» debe su nombre a esta ciudad griega. El trasfondo físico de las fuerzas magnéticas y eléctricas no fue aclarado hasta el siglo XIX y formulado matemáticamente en 1864 por James Clerk Maxwell con ayuda de las ecuaciones de Maxwell.
Índice

Historia del magnetismo

El magnetismo es el fenómeno físico de las fuerzas magnéticas. Ya en el año 500 a. C., los griegos reconocieron las fuerzas eléctricas y magnéticas de atracción y repulsión. Existen pruebas de la observación de fuerzas eléctricas de atracción entre trozos de papel y ámbar rallado. Las fuerzas que actúan en este caso están causadas por la carga electrostática del ámbar rallado. En el año 500 a. C., en la antigua Grecia, Tales de Mileto describió los efectos de fuerza de las piedras de la ciudad de Magnesia sobre las partículas de hierro. El lugar del descubrimiento, cerca de Magnesia, dio nombre al fenómeno del magnetismo. Se presume incluso que los chinos reconocieron los poderes de la piedra magnética ya en el año 800 a.C., 300 años antes de que se documentaran las observaciones griegas. La primera brújula primitiva se desarrolló en China hacia el año 1000 d. C.

Numerosos investigadores han estudiado el fenómeno del magnetismo desde el Renacimiento (hacia el 1500). A menudo se confundía el magnetismo con la electricidad. Por el contrario, algunos investigadores consideraban que ambos fenómenos eran fundamentalmente distintos. En 1785, Coulomb confirmó que, a diferencia de la electricidad, es imposible separar un imán en su polo norte y su polo sur. Si se rompe un imán permanente, siempre se obtienen imanes más pequeños, cada uno con un polo norte y un polo sur.

En 1820, Oersted, quien conocía la diferencia entre electricidad y magnetismo, reconoció el vínculo entre las fuerzas eléctricas y magnéticas cuando descubrió la desviación de la aguja de una brújula por un hilo conductor de corriente.

Ecuaciones básicas del magnetismo: ecuaciones de Maxwell

No fue hasta 1864 cuando el físico James Clerk Maxwell explicara de manera completa todos los fenómenos eléctricos y magnéticos en un sentido físico matemáticamente exacto. Escribió las ecuaciones de Maxwell, que llevan su nombre y describen completamente los campos eléctricos y campos magnéticos, así como las fuerzas resultantes. Las ecuaciones básicas del magnetismo son dos de las cuatro ecuaciones de Maxwell, que describen los campos vectoriales de la densidad de flujo magnético.

Estas dos ecuaciones de Maxwell dependientes del tiempo para la relación entre la densidad de flujo magnético \(\vec{B}\) con la densidad de corriente \(\vec{j}\) y el cambio en la intensidad de campo eléctrico \(\dot{\vec{E}}\) son las siguientes:

\(\nabla\cdot\vec{B} = 0\)
y

\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\).


Se producen la constante de permeabilidad del vacío \(\mu_0\), la densidad de corriente \(\vec{j}\) y la velocidad de la luz c.

Según las ecuaciones de Maxwell, solo existen líneas de campo magnéticas cerradas. Esto se describe mediante la ecuación \(\nabla\cdot\vec{B} = 0\). La ecuación establece que la parte «abierta» de las líneas de campo, es decir, la llamada «divergencia del campo magnético», es igual a cero. Matemáticamente, esto equivale a decir que no existen monopolos magnéticos, esto es, imanes con un solo polo norte o un solo polo sur.

\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\) afirma que las líneas de campo magnético cerradas son causadas por corrientes \(\vec{j}\), es decir, por cargas en movimiento, o generalmente por el cambio en un campo eléctrico \(\dot{\vec{E}}\). Esta última es relevante para la descripción de ondas electromagnéticas, que se propagan en el espacio como oscilaciones eléctricas y magnéticas que se generan mutuamente. Esta última ecuación explica la observación de Oersted: la aguja magnética de una brújula es en sí misma un pequeño imán permanente. Sin embargo, el hilo conductor de corriente provoca a continuación líneas de campo magnético que interactúan con el campo magnético de la aguja y ejercen una fuerza sobre ella.

Las propias cargas generan a su vez fuerzas eléctricas. Esto también se describe mediante dos ecuaciones de Maxwell:

\(\nabla\cdot\vec{E} = \frac\rho\epsilon_0\)
y

\(\nabla{\times{\vec{E}}}+\dot{\vec{B}} = 0\).

Aquí ρ denota la densidad de carga como la fuente más importante del campo eléctrico \(\vec{E}\). ε0 denota la constante dieléctrica del vacío. Las líneas de campo cerradas (rotaciones) del campo eléctrico \(\nabla{\times{\vec{E}}}\) son causadas por el cambio en el flujo magnético \(\dot{\vec{B}}\) de la misma manera que las líneas de campo magnético cerradas.

Una clara separación de la electricidad y el magnetismo y al mismo tiempo la descripción estandarizada de la electricidad y el magnetismo en la física se logró por primera vez con las ecuaciones de Maxwell. En ellas, las fuerzas de la electricidad y el magnetismo se explican mediante campos, a saber, campos magnéticos y campos eléctricos.

La figura muestra esquemáticamente el campo magnético de una corriente I (izquierda) (en las ecuaciones de Maxwell, j denota la densidad de corriente, esto es, la corriente en relación con el área). El campo magnético rodea el conductor en forma de vórtices cerrados. El campo magnético de un bucle conductor se crea en consecuencia (centro). El campo magnético de una bobina se forma al juntar varias espiras conductoras («apiladas»). Es idéntico al campo magnético de un imán permanente (derecha). En un imán permanente, o en un material magnetizado en general, los espines de los electrones están alineados en paralelo. Esto equivale a muchas corrientes circulares con momentos magnéticos asociados alineados en paralelo. El campo magnético externo se crea entonces por la superposición de las contribuciones de todos los momentos magnéticos elementales.
La figura muestra esquemáticamente el campo magnético de una corriente I (izquierda) (en las ecuaciones de Maxwell, j denota la densidad de corriente, esto es, la corriente en relación con el área). El campo magnético rodea el conductor en forma de vórtices cerrados. El campo magnético de un bucle conductor se crea en consecuencia (centro). El campo magnético de una bobina se forma al juntar varias espiras conductoras («apiladas»). Es idéntico al campo magnético de un imán permanente (derecha). En un imán permanente, o en un material magnetizado en general, los espines de los electrones están alineados en paralelo. Esto equivale a muchas corrientes circulares con momentos magnéticos asociados alineados en paralelo. El campo magnético externo se crea entonces por la superposición de las contribuciones de todos los momentos magnéticos elementales.
En la actualidad, hablamos de la teoría del electromagnetismo. La teoría de los campos variables en el tiempo de la electricidad y el magnetismo se conoce como «electrodinámica». La electrodinámica se ocupa, por tanto, del magnetismo y la electricidad en su totalidad.

El efecto de los campos magnéticos sobre la materia se describe mediante los parámetros materiales, como la permeabilidad magnética μ. Esta también se puede calcular mediante las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, efectos como la magnetización y la polarización eléctrica deben integrarse en las ecuaciones. Hoy en día, la creciente precisión a la hora de determinar los parámetros materiales y el tratamiento de los objetos cuánticos en la electrodinámica cuántica se han incorporado a la electrodinámica tradicional y constituyen áreas de investigación actuales.
En 2007, el físico Grünberg fue galardonado con el Premio Nobel por el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante.



Retrato del Dr. Franz-Josef Schmitt
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt


El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.

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