¿Has escuchado hablar de la brújula? Seguramente has tenido en tus manos algún imán, o lo has utilizado. ¿Recuerdas los adornos que se pegan al refrigerador o los pizarrones magnéticos? La pregunta es ¿cómo funcionan los imanes?

Fíjate que los griegos desde hace más de 2000 años, en la ciudad de Magnesia, descubrieron la propiedad de unas piedras de atraer a metales como el hierro, el níquel y el cobalto. A esas piedras se les llamó magnetita. La característica de esas piedras y de los imanes que ahora conoces es que tienen una estructura interna ordenada.

¿Qué quiere decir estructura interna ordenada? Como has de recordar, todos los materiales están formados de átomos y moléculas, lo que implica que están formados de cargas positivas y cargas negativas. También te has de acordar que la materia es neutra en términos de su carga eléctrica puesto que en los átomos normales se tiene el mismo número de protones que el de electrones.

Sin embargo, los imanes y la magnetita por alguna razón tienen un arreglo interno especial, una especie de pequeños imanes orientados en una dirección, como si fueran pequeñas flechitas, las cuales tienen en un extremo carga positiva y en el otro carga negativa.

Precisamente ese arreglo permite que se observen dos polos en el imán. Los pequeños imanes (flechitas), a los que se les da el nombre de dominios magnéticos, se atraen mutuamente, quedando la estructura muy bien establecida. Si se parte el imán a la mitad, se sigue manteniendo los dos polos y así sucesivamente.

¿Existen materiales que se pueden hacer imanes permanentes?

Efectivamente, es necesario utilizar trozos de hierro o algunas aleaciones que contengan hierro, las cuales se someten a campos magnéticos intensos. En ocasiones es necesario dar pequeños golpes al hierro para ayudar a los dominios perezosos a alinearse. Otra forma de hacer un imán es frotar un trozo de hierro con un imán. El frotamiento hace que los dominios del hierro se alineen. Si se deja caer o se calienta un imán permanente, algunos dominios pierden su alineación y el imán se debilita.

¿Cómo es que se alinean los dominios dentro de un material magnético?

Existe una relación muy estrecha entre el magnetismo y la electricidad . Del mismo modo que una carga eléctrica está rodeada de un campo eléctrico , la misma carga también está rodeada de un campo magnético si se encuentra en movimiento. Esto se debe a las “deformaciones” que sufre el campo eléctrico a causa del movimiento. El movimiento de la carga eléctrica produce un campo magnético.

En 1819, el físico danés Hans C. Oersted llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica. Más tarde, en 1831, el científico británico Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era el proceso inverso al hallado por Oersted.

¿Dónde está el movimiento de cargas eléctricas en un imán de barra común?

Aunque el imán en conjunto está inmóvil, está compuesto de átomos cuyos electrones se mueven constantemente alrededor de los núcleos atómicos. Esta carga en movimiento constituye una corriente diminuta y produce un campo magnético. Algo aún más importante es que los electrones giran en torno a sus propios ejes como trompos. Un electrón en rotación alrededor de su eje constituye una carga en movimiento y, por tanto, crea otro campo magnético. En la mayor parte de los materiales el campo debido a la rotación de los electrones alrededor de sus ejes predomina sobre el campo debido al movimiento orbital. Todo electrón en rotación es un imán diminuto.

Cuando dos electrones giran en el mismo sentido constituyen un imán más potente. En cambio, si ambos giran en sentidos contrarios sus efectos se oponen mutuamente y los campos magnéticos se anulan. A estos se debe que la mayoría de las sustancias no sean imanes.

En casi todos los átomos los diversos campos se anulan unos a otros porque los electrones giran en sentidos opuestos. Sin embargo, en ciertos materiales como el hierro, el níquel y el cobalto los campos no se cancelan totalmente. Cada átomo de hierro tiene cuatro electrones cuyo magnetismo, debido a la rotación, no se anula. Por tanto, cada átomo de hierro es un imán diminuto. Lo mismo ocurre, aunque en menor grado, con los átomos de níquel y de cobalto.

¿Sabes cómo se desvían las partículas en un campo magnético?

Una partícula cargada en reposo no interactúa con un campo magnético estático. Pero si la partícula con carga se mueve en un campo magnético, el carácter magnético de su movimiento se hace patente. La partícula con carga experimenta una fuerza que la desvía.

La fuerza alcanza su máxima intensidad cuando la partícula se desplaza en dirección perpendicular a las líneas de campo magnético. Con otros ángulos la fuerza es menor, y se hace cero cuando el movimiento de la partícula es paralelo a las líneas de campo. En todo caso, la dirección de la fuerza es siempre perpendicular tanto a las líneas del campo magnético como a la velocidad de la partícula con carga.

En resumen, una carga en movimiento se desvía cuando cruza las líneas de campo magnético, pero no cuando se desplaza en la dirección paralela a las líneas de campo.

Es bueno que los campos magnéticos desvíen las partículas con carga pues este hecho se utiliza para esparcir electrones sobre la superficie interior del cinescopio de un televisor y formar así la imagen. Este efecto de los campos magnéticos opera también en una escala mayor. El campo magnético de la Tierra desvía las partículas cargadas que provienen del espacio exterior. Si no fuera así, la intensidad de los rayos cósmicos que bombardean la superficie terrestre sería mucho mayor.

¿Conoces el campo magnético terrestre?

¿Recuerdas que en las primeras etapas de la formación de la Tierra tuvo lugar la diferenciación gravitacional? Ella consistió en que los materiales de mayor densidad, por gravedad, se hundieron y los menos densos quedaron en la superficie. Entonces, debido a ello, el núcleo terrestre quedó formado por hierro y níquel, por lo que es un núcleo metálico.

La Tierra tiene un campo magnético propio de considerable intensidad, el cual es semejante al de un imán. Se piensa que se genera por los movimientos convectivos del núcleo externo.

Nuestro planeta está rodeado por las líneas de fuerza magnética que representan la dirección del campo magnético, el cual se dirige del sur al norte geográfico.

Lo interesante de este campo es que no está alineado con el eje de rotación terrestre. Los polos geográficos, que corresponden a los extremos del eje de rotación, no coinciden con los polos geomagnéticos.

Una brújula apunta hacia el norte magnético terrestre. El polo norte magnético está ubicado al noroeste de Canadá y el polo sur magnético está situado en la Antártida, al sur de Australia. La forma del campo magnético de la Tierra da la impresión de que hay un gran imán de barra que pasa por el centro del planeta. Sin embargo, esto no puede ser ya que la temperatura en el interior de la Tierra es tan grande que no permitiría la alineación de los átomos.

La teoría que mejor explica la existencia del campo magnético terrestre es la que indica que existen corrientes que fluyen en la región del planeta que está fundida, debajo de la corteza. La mayoría de los estudiosos de las Ciencias de la Tierra piensa que el campo magnético de la Tierra se genera por el movimiento en espiras de partículas cargadas en su interior. Dado el gran tamaño de la Tierra, la rapidez de las cargas en movimiento tendría que ser inferior a un milímetro por segundo para crear el campo.

Otra posible explicación del campo magnético terrestre son las corrientes de convección cuyo origen es el calor del núcleo del planeta. Este calor se debe a la energía nuclear que se libera en el proceso de desintegración radiactiva. Tal vez el campo magnético de la Tierra sea producto de la combinación de las corrientes de convección con los efectos de la rotación de la Tierra. Cualquiera que sea la causa, el campo magnético terrestre no es estable, sino que se desplaza en el curso de las eras geológicas.

Las pruebas de este hecho se encuentran en el análisis de las propiedades magnéticas de los estratos rocosos. Los átomos de hierro en estado de fusión tienden a alinearse con el campo magnético de la Tierra. Cuando el hierro se solidifica la dirección del campo queda registrada en la orientación de los dominios magnéticos de las rocas.

Se puede medir el leve magnetismo terrestre por medio de instrumentos muy sensibles. Así, midiendo el magnetismo de muestras de roca de diferentes estratos formados a lo largo de las eras geológicas podemos elaborar mapas del campo magnético de la Tierra en diferentes períodos. Los datos que se han obtenido de las rocas indican que ha habido épocas en que el campo magnético de la Tierra se ha reducido a cero y luego se ha invertido.

En los últimos cinco millones de años se han producido más de veinte inversiones. La más reciente data de hace 700 000 años. Otras inversiones anteriores ocurrieron hace 870 000 y 950 000 años. Los estudios de sedimentos marinos indican que el campo magnético estuvo inactivo durante unos 10 000 o 20 000 años hace alrededor de un poco más de un millón de años. Ésta es la época en que surgió el hombre moderno. No se puede predecir cuándo ocurrirá la siguiente inversión porque la secuencia no es regular. Pero ciertas mediciones recientes indican que el campo magnético de la Tierra se ha reducido en un 5% en su intensidad por lo que se prevé que ocurra otra inversión en menos de 2000 años.

La idea sobre la existencia de una magnetósfera alrededor de la Tierra fue establecida en 1896 y descrita en 1956. No fue sino hasta 1958 y 1961 cuando, al utilizar vehículos espaciales, se exploró y aceptó su existencia.

La magnetósfera no es exclusiva de la Tierra. En el Sistema Solar, Mercurio, la Tierra, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno tienen una, Venus y Marte no la poseen. Las más importantes son las de Júpiter y la Tierra, debido a que presentan un importante campo magnético. Los demás tienen magnetósferas menores.

La magnetósfera funciona como un escudo protector para los astros que la tienen. En Venus y Marte, donde no existe campo magnético, y por lo tanto magnetósfera, el viento solar choca directamente con la parte alta de la atmósfera.

En satélites como la Luna, que carecen de campo magnético y de atmósfera, el viento solar golpea directamente sobre su superficie.

La magnetósfera, que es la región externa del dominio terrestre, encaja o se incorpora en las líneas del campo magnético de la Tierra. Su frontera es la magnetopausa, la cual constituye el frente de batalla entre la fuerza del campo magnético contra la fuerza del viento solar. Así, se forma un escudo protector que impide la penetración del viento solar al dominio terrestre. Sin embargo, en algunas ocasiones penetran en la atmósfera, dando lugar a las auroras.

La presión que ejerce el viento solar sitúa a la Tierra en una cavidad en forma de cometa. El viento solar comprime las líneas del campo magnético del lado día. En cambio, del lado noche el viento solar se desliza a lo largo de la magnetopausa y estira las líneas del campo magnético en forma de cola, la cual puede medir hasta 3 millones de km de largo.

Dentro de la magnetósfera, en las líneas del campo Magnético terrestre, se ubican dos zonas en forma de dona que rodean nuestro planeta sobre el ecuador denominadas Cinturones de Van Allen. Se descubrió que los cinturones son zonas de radiación de partículas de muy alta energía (protones y electrones). Atrapados en el campo magnético terrestre.

El cinturón interior está a 3,200 km sobre la Tierra y está poblado principalmente por protones. El cinturón exterior a 20,000 kilómetros de altura, está poblado sobre todo por electrones. Esta población de partículas energéticas es letal. Por ello, las misiones espaciales tripuladas evitan transitar, y más aún permanecer en los cinturones, ya que su radiación puede dañar tanto al organismo humano como a los dispositivos electrónicos de las naves.

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