El magnetismo es un fenómeno natural cuyas consecuencias casi podrían confundirse con la magia: por ejemplo, que dos objetos se atraigan entre sí, sin que nadie los toque. Por suerte, ha sido estudiado desde la antigüedad y ahora que conocemos ampliamente su funcionamiento, sabemos que dista mucho de ser un proceso mágico, en cambio, es algo meramente físico. Además, hemos aprendido a manipular y usar el magnetismo para nuestros intereses propios, y hoy en día casi no hay componente electrónico en nuestras vidas que no use magnetismo.
Para que suceda un fenómeno magnético, necesitamos de la presencia de campos magnéticos. No podemos verlos, pero podemos deducirlos debido a su influencia sobre ciertos objetos. Los campos magnéticos ocupan el espacio alrededor de un imán, haciéndose más débiles a medida que aumenta la distancia al imán. Los imanes típicos que podemos encontrar en la naturaleza son, por ejemplo, piedras llamadas magnetitas, de fórmula química Fe3O4; lo que les da las propiedades magnéticas es la presencia de átomos de hierro (Fe) y de algunos otros aspectos particulares en su estructura química.
Los campos magnéticos se caracterizan por sus líneas de campo, que indican su magnitud y dirección: mientras más líneas, más fuerte es el campo. Las líneas siempre se dirigen desde el polo norte al polo sur de un imán. Un imán siempre posee dos polos, aunque intentemos dividir un imán por la mitad, cada uno de los trozos más pequeños nuevamente formarán dos polos. Es por esto que decimos que no existen las cargas magnéticas o los monopolos magnéticos, a diferencia de las cargas eléctricas en donde podemos aislar por separado partículas con carga positiva o negativa.
Imagen esquemática de una barra de imán y las líneas de campo magnético que lo rodean.
Las líneas de campo magnético se manifiestan físicamente mediante un sencillo experimento. En la siguiente imagen, se ha colocado una barra imantada debajo de una hoja de papel, y por encima de la hoja de papel, se han dispersado pequeñas virutas o limaduras de hierro metálico. Estas partículas son atraídas por el campo magnético del imán y se orientan según la dirección de éste, mostrándonos exactamente la forma de las líneas de campo.
Virutas de hierro alrededor de un imán. (Crédito: Julio Germán Rodríguez Ojeda, 2011)
Estas líneas de campo son las que participarán en las interacciones magnéticas. Una interacción que vivimos en el día a día es la atracción entre imanes: si alguna vez jugaste con ellos, seguro notaste que a veces los imanes se unen entre sí, mientras que otras veces, por más que hagas fuerza, no podés acercarlos. Esto se debe a que los polos opuestos, es decir, norte-sur, se atraen, al mismo tiempo, los polos iguales, norte-norte o sur-sur, se repelen. Este efecto puede verse esquemáticamente analizando las líneas de campo de los imanes:
En el primer ejemplo, los polos diferentes se atraen, en el segundo y tercer ejemplo, los polos iguales se repelen.
Podemos apreciarlo realizando nuevamente el experimento de las virutas de hierro. En este caso, debajo de la hoja de papel se colocaron dos imanes: en la primera imagen, los polos iguales están alineados, aquí se ve claramente que no se forman líneas de campo al medio; y en la segunda imagen, los polos opuestos están alineados, en este caso, se aprecian claramente las líneas en el espacio entre ambos imanes.
Virutas de hierro alrededor de dos imanes, con polos iguales alineados. (Crédito: Julio Germán Rodríguez Ojeda, 2011)
Para comprender qué materiales pueden formar imanes, debemos ver el comportamiento de los electrones de los átomos que los componen. Los electrones poseen una cualidad llamada spin, que surge desde la descripción de su comportamiento a través de la Mecánica Cuántica, una de las áreas más modernas de la física, por lo que resulta difícil encontrar un análogo en la vida cotidiana. El nombre spin proviene del inglés girar, ya que originalmente se interpretó que era como si los electrones estuviesen “girando” sobre su eje, en uno u otro sentido. Al hacer este movimiento de giro, los electrones se comportan como si fueran pequeños imanes cuyos polos norte y sur dependen del spin (el sentido en el cual “giran”).
Representación esquemática y simplificada del campo magnético que genera un electrón dependiendo de su spin.
Si en un átomo dos electrones están apareados, es decir, ubicados de a pares en un dado nivel de energía, cada uno tendrá un spin opuesto al otro, y por lo tanto los campos magnéticos de cada uno se anulan entre sí. En átomos con muchos electrones, como es el caso de los llamados “metales pesados”, pueden existir electrones que no están apareados, es decir, que están solos ubicados en su nivel de energía, y se los denomina electrones desapareados. En algunos materiales, los spin de todos los electrones desapareados pueden orientarse en la misma dirección, y de este modo, los campos magnéticos de cada electrón desapareado se suman, generando un campo magnético más grande. Es así como este material podrá mostrar las propiedades magnéticas que observamos en el día a día. Un imán permanente es aquel en el cual los spin de sus electrones desapareados quedan fijos en una dirección, como es el caso de los átomos de hierro en el mineral ferrita, que mencionamos anteriormente; y un imán temporario es aquel en el que se puede inducir artificialmente una orientación definida de los spin de sus electrones desapareados para generar un campo magnético resultante, pero luego los spin pueden volver a cambiar a su valor inicial, desapareciendo entonces el campo magnético resultante que se había producido.
Representación esquemática y simplificada del spin electrones alineados en un material.
Hasta ahora vimos un efecto típico de campos magnéticos producidos por imanes. Sin embargo, los campos magnéticos también se generan por la presencia de cargas eléctricas en movimiento, es decir, por una corriente eléctrica, siendo éste el principio del funcionamiento de un motor eléctrico. De la misma forma, un campo magnético que varía en el tiempo produce corrientes eléctricas, y éste es el principio del funcionamiento de un generador eléctrico. Debido a que el campo eléctrico y el campo magnético están interrelacionados, surge el concepto de electromagnetismo. El desarrollo del electromagnetismo se dio en primer lugar de forma empírica y experimental, principalmente de la mano de Michael Faraday, en las primeras décadas del siglo XIX, para luego formalizarse matemáticamente por James Maxwell, que escribió la primera versión de un conjunto de leyes, que luego pasarían a llamarse las Leyes de Maxwell del electromagnetismo, en 1865.
