RESUMEN (materiales, intensidad de flujo y teoria del magnetismo)

Materiales Magnéticos

Existen unos cuantos materiales que son magnéticos de forma natural, o que tienen el potencial de convertirse en imanes. Algunos de estos materiales son:

• hierro
• hematita
• magnetita
• gases ionizados, (como el material del que están hechas las estrellas )

Se puede hacer un imán para atraer objetos que contengan material magnético, como el hierro, aunque este no esté magnetizado. Pero no se puede hacer un imán para atraer materiales plásticos, de algodón o de cualquier otro material, como roca de silicato, pues estos no son materiales magnéticos.

El que un material contenga hierro, o cualquier otro material magnético, no significa que sea un imán. Para que un material magnético se pueda convertir en un imán ha de tener condiciones especiales. Esto se debe a que un imán es un objeto de donde emana la fuerza del magnetismo.

Densidad de flujo magnético

La densidad de flujo magnético, visualmente notada como B, es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y es igual a la intensidad del campo magnético. La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Tesla. Está dado por:

Donde B es la densidad del flujo magnético generado por una carga q que se mueve a una velocidad v a una distancia r de la carga, y ur es el vector unitario que une la carga con el punto donde se mide B (el punto r). O bien, donde B es la densidad del flujo magnético generado por un conductor por el cual pasa una corriente I, a una distancia r. Este campo B también se llama inducción magnética.

La fórmula de esta definición se llama Ley de Biot-Savart, y es en magnetismo la “equivalente” a la Ley de Coulomb de la electrostática: Sirve para calcular fuerzas de atracción-repulsión entre conductores atravesados por corrientes de carga. El campo inducción, B, o densidad de flujo magnético (los tres nombres son equivalentes) es incluso más importante en electromagnetismo que el propio campo magnético H, y aparece en las ecuaciones de Maxwell con mayor relevancia que este.

Teorías del magnetismo

GRIEGOS: Fueron probablemente los griegos quienes primero reflexionaron sobre las maravillosas propiedades de la magnetita, un mineral de hierro que incluso en estado natural posee una profunda atracción por el hierro. Se forman cadenas de anillos colgados unos con respecto a otros. Estos son los llamados anillos de Samotracia, isla griega donde los mineros habían descubierto este fenómeno que en la actualidad llamamos magnetización por inducción. Diversas leyendas envuelven los orígenes del descubrimiento del magnetismo. De acuerdo con una de ellas, el pastor Magnes (de allí magnetismo) se quedó pegado a la tierra, ya que los clavos de sus zapatos fueron atraídos por la magnetita. Según otra versión, el nombre magnetismo viene de Magnesia, región de Grecia donde abunda el mineral. Otras leyendas nos hablan de estatuas de hierro suspendidas en el aire debido a su colocación en domos magnéticos.

TALES DE MILETO: Tales de Mileto, matemático, astrónomo y filósofo griego observo que  al frotar el ámbar  con seda  sé producían chispas  y el ámbar adquiría  la capacidad  de atraer  partículas de pelusa y de paja. La palabra griega para el ámbar es el electrón, de ella se deriva las palabras electricidad, electrón y electrónica. Noto la fuerza de atracción  entre  trozos  de una roca magnética  natural llamada piedra  de imán  que se encontró en un lugar llamado magnesia, de cuyo nombre se derivan  las palabras magneto y magnetismo. Tales de Mileto fue pionero en la electricidad y el magnetismo, pero su interés como el de otros contemporáneos era filosófico que práctico.

EINSTEIN:El término teoría de campo unificado fue introducido por Einstein cuando intentó tratar unificadamente la gravedad y el electromagnetismo mediante una teoría de campos unificada. Previamente Maxwell había logrado en 1864 lo que denominaríamos primera teoría unificada, al formular una teoría de campo que integraba la electricidad y el magnetismo.

La búsqueda de Einstein de una teoría de campo unificado para el campo electromagnético y el campo gravitatorio, generalizando su teoría general de la relatividad fue infructuosa. Otro intento interesante de unificar estas dos teorías fue la teoría de Kaluza-Klein alguna de cuyas ideas inspiraron algunos aspectos de la teoría de cuerdas moderna, un ambicioso intento de formular una teoría del todo.

Desde los primeros intentos de Einstein y Kaluza, otro tipo de interacciones diferentes de la gravedad y electromagnetismo, como la interacción débil y la interacción fuerte han sido objeto de diversos intentos de unificación, así hacia finales de los años 1960 se formuló el modelo electro débil que de hecho es una teoría de campo unificado del electromagnetismo y la interacción débil. Los intentos de unificar la teoría de la interacción fuerte con el modelo electro débil y con la gravedad ha permanecido desde entonces como uno de los retos aún pendientes de los físicos, una teoría que explicaría la naturaleza y el comportamiento de toda la materia.

La siguiente lista recoge las teorías de campo unificado según una cronología histórica:

• electricidad + magnetismo = electromagnetismo (realizada por James Clerk Maxwell en los años 1860).
• electromagnetismo + interacción débil = interacción electro débil (realizada por Glashow, Salam y Weinberg en los años 1960).
• interacción electro débil + interacción fuerte = gran teoría unificada (aún por verificar)
• gran teoría unificada + relatividad general = teoría de campos unificada o "Teoría del todo" (aún por desarrollar)

 El Magnetismo Solar: Galileo y Christopher Scheiner observaron manchas solares sobre la cara del Sol y por su movimiento dedujeron que el Sol giraba , con un período de 27 días en las cercanías del ecuador, relativo al movimiento de la Tierra (25 días, relativo a las estrellas). El período se incrementaba hasta los 29.5 días en latitudes altas, mostrando que la superficie del Sol no es sólida. 

Especulaban que las manchas eran nubes flotando sobre la superficie que cerraban el paso a algo de luz. Ahora sabemos que las manchas son más oscuras que su alrededor porque están moderadamente más frías, ya que sus intensos campos magnéticos  hacen rebajar de algún modo el flujo local de calor desde el interior del Sol. El proceso que causa esto es aún poco claro.

Proposición de Blackett: Es un hecho misterioso que el eje magnético de la Tierra esté cerca de su eje de rotación, que los polos magnéticos, donde la fuerza magnética apunta directamente hacia abajo, están muy cercanos a los geográficos. Blackett sugirió que quizás existía un nuevo fenómeno universal, que cualquier objeto girando estaba intrínsecamente magnetizado.  Al principio esto no pareció una mala idea. Los electrones y protones, por ejemplo, tienen un "spin" (giro) intrínseco que les proporciona propiedades parecidas a les de un objeto sólido girando, y también tienen una magnetización intrínseca, que los convierte en diminutos imanes, alineados con sus ejes de giro. En los materiales normales, estos imanes atómicos apuntan en todas las direcciones posibles, con lo que sus efectos se contrarrestan. 

  Pero en lo concerniente a la Tierra, las conjeturas de Blackett estaban equivocadas. Los experimentos con objetos girando, que por esta teoría deberían producir una magnetización medible, mostraron que no la tenían. Posteriores observaciones también mostraron que durante las últimas decenas de millones de años, la polaridad magnética de la Tierra se invirtió varias veces, algo que no permitiría la predicción de Blackett. 

El Magnetismo Solar: Una limitación, relacionada con el fallo de la teoría de Blackett, es que cualquier circuito girando como un cuerpo sólido no producirá "corrientes de dinamo". Aún en el caso de que parte del circuito siga al eje de rotación, y pueda, por tanto, ser vista como como no giratoria, el giro sólido no creará ninguna corriente. Una característica esencial de la dinamo de disco de Faraday es que la parte de su circuito que está fuera del disco no comparte su giro. 

  Por consiguiente, la rotación del Sol alrededor de su eje no contribuye, por si misma, a su magnetismo. Lo que es importante en este caso es que el Sol no gira como una esfera sólida. Su ecuador tiene un período de rotación menor que que él las latitudes mayores-- sobre 25 días para el ecuador, 27 días para la latitud de 40 grados (entretanto la Tierra se mueve alguna distancia alrededor del Sol, por lo que desde aquí los períodos aparentan ser de 27 y 29 días). Si la Tierra girase así, Florida (por ejemplo) pronto se desgajaría del resto de los EE. UU. hacia el Océano Atlántico. Ese movimiento asimétrico, que deforma la superficie, puede impulsar una dinamo y en el caso del Sol, se cree que es la origen del magnetismo de las manchas solares. 

Teoría de la Dinamo: Antes de que los matemáticos afronten un problema complejo, prueban soluciones simples (un chiste sobre un modelo matemático de producción de leche: Suponiendo una vaca esférica de radio R, llena uniformemente de leche...). No hay esa suerte aquí: pronto, en 1931, Thomas G. Cowling en Inglaterra, probó que ninguna dinamo auto sostenida en el centro de la Tierra puede tener un eje de simetría. 

  Walter Elsasser, de la Universidad de Utah (luego en Johns Hopkins) abordó en los 1940s un ataque frontal sobre el problema tridimensional. No llegó a ninguna parte: las ecuaciones se hicieron más y más intrincadas y se fue a los detalles. Otros tuvieron experiencias similares. Solo en 1964 publicó Stanislaw Braginsky en Rusia las primeras soluciones válidas, asumiendo que el campo tenía en su mayoría una simetría axial y calculando su pequeña desviación de la simetría.   

  La solución al problema completo, incluyendo el flujo calorífico, es mucho más difícil. No solo no estamos seguros del origen del calor, sino que cualquier movimiento causado por él está muy modificado por el giro de la Tierra. Esta modificación es una característica principal de los movimientos a gran escala en la atmósfera, que origina que los huracanes y tormentas se arremolinen en su forma característica. En 1955, Eugene Parker propuso un mecanismo por el cual tales remolinos, en los flujos ascendentes de la atmósfera solar, podrían crear campos de dinamo. 

  Vistas desde arriba, la dirección del remolino de las borrascas en la atmósfera siempre es anti dextrógiro (contrario a la agujas del reloj) al norte del ecuador y dextrógiro (en sentido de las agujas del reloj) al sur de él. Esta asimetría se prevé también en los flujos ascendentes en el centro de la Tierra, y Steenbeck et al., en Alemania, expuso en 1966 que, gracias a eso, los modelos de convección desordenados pueden producir un "campo de dinamo" medio. Esto se conoce como "efecto alfa", debido a que implica una cantidad matemática designada por la letra griega α (alfa)--pero los detalles son muy complicados para describirlos aquí. 

James Clerk Maxwell: (Edimburgo, Escocia, 13 de junio de 1831 – Cambridge, Inglaterra, 5 de noviembre de 1879). Físico escocés conocido principalmente por haber desarrollado la teoría electromagnética clásica, sintetizando todas las anteriores observaciones, experimentos y leyes sobre electricidad, magnetismo y aun sobre óptica, en una teoría consistente Las ecuaciones de Maxwell demostraron que la electricidad, el magnetismo y hasta la luz, son manifestaciones del mismo fenómeno: el campo electromagnético. Desde ese momento, todas las otras leyes y ecuaciones clásicas de estas disciplinas se convirtieron en casos simplificados de las ecuaciones de Maxwell. Su trabajo sobre electromagnetismo ha sido llamado la "segunda gran unificación en física después de la primera llevada a cabo por Newton. Además se le conoce por la estadística de Maxwell-Boltzmann en la teoría cinética de gases.

Campo magnético terrestre  

Se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior (sin límite), con efectos electromagnéticos conocidos en la magnetosfera que nos protege del viento solar, pero que además permite fenómenos muy diversos como la orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magneto recepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas.

Una brújula apunta en la dirección Sur-Norte por tratarse de una aguja imantada inmersa en el campo magnético terrestre: desde este punto de vista, la Tierra se comporta como un imán gigantesco y tiene polos magnéticos, los cuales, en la actualidad, no coinciden con los polos geográficos.

El Polo Sur Magnético se encuentra a 1800 kilómetros del Polo Norte Geográfico. En consecuencia, una brújula no apunta exactamente hacia el Norte geográfico; la diferencia, medida en grados, se denomina declinación magnética. La declinación magnética depende del lugar de observación, por ejemplo actualmente en Madrid (España) es aproximadamente 3º oeste. El polo Sur magnético está desplazándose por la zona norte canadiense en dirección hacia el norte de Alaska.