
El magnetismo es el conjunto de propiedades físicas que se producen a través de un campo magnético , el cual permite que los objetos se atraigan o se repelan entre sí. Dado que tanto las corrientes eléctricas como los momentos magnéticos de las partículas elementales dan lugar a un campo magnético, el magnetismo es uno de los dos aspectos del electromagnetismo .
Los efectos conocidos se producen en materiales ferromagnéticos , que son fuertemente atraídos por campos magnéticos y pueden magnetizarse para convertirse en imanes permanentes , generando a su vez campos magnéticos. También es posible desmagnetizar un imán. Solo unas pocas sustancias son ferromagnéticas; las más comunes son el hierro , el cobalto , el níquel y sus aleaciones.
Todas las sustancias exhiben algún tipo de magnetismo. Los materiales magnéticos se clasifican según su susceptibilidad volumétrica. [ 1 ] El ferromagnetismo es responsable de la mayoría de los efectos del magnetismo que encontramos en la vida cotidiana, pero en realidad existen varios tipos de magnetismo. Las sustancias paramagnéticas , como el aluminio y el oxígeno , son débilmente atraídas por un campo magnético aplicado; las sustancias diamagnéticas , como el cobre y el carbono , son débilmente repelidas; mientras que los materiales antiferromagnéticos , como el cromo , tienen una relación más compleja con un campo magnético. La fuerza de un imán sobre materiales paramagnéticos, diamagnéticos y antiferromagnéticos suele ser demasiado débil para ser percibida y solo puede detectarse con instrumentos de laboratorio, por lo que en la vida cotidiana, estas sustancias a menudo se describen como no magnéticas.
La intensidad de un campo magnético siempre disminuye con la distancia a la fuente magnética, [ 2 ] aunque la relación matemática exacta entre intensidad y distancia varía. Muchos factores pueden influir en el campo magnético de un objeto, incluyendo el momento magnético del material, la forma física del objeto, tanto la magnitud como la dirección de cualquier corriente eléctrica presente en su interior, y la temperatura del objeto.
Historia



El magnetismo se descubrió por primera vez en el mundo antiguo cuando la gente notó que las piedras imán , piezas magnetizadas naturalmente del mineral magnetita , podían atraer el hierro. [ 3 ] La palabra imán proviene del término griego μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , [ 4 ] "la piedra de Magnesio, la piedra imán". [ 5 ] En la antigua Grecia, Aristóteles atribuyó la primera de lo que podría llamarse una discusión científica sobre el magnetismo al filósofo Tales de Mileto , quien vivió aproximadamente entre el 625 a. C. y el 545 a. C. [ 6 ] El antiguo texto médico indio Sushruta Samhita describe el uso de magnetita para extraer flechas incrustadas en el cuerpo de una persona. [ 7 ]
En la antigua China , la referencia literaria más antigua al magnetismo se encuentra en un libro del siglo IV a. C. que lleva el nombre de su autor, Guiguzi . [ 8 ] Los anales del siglo II a. C., Lüshi Chunqiu , también señalan: "La piedra imán hace que el hierro se acerque; alguna (fuerza) lo está atrayendo". [ 9 ] La primera mención de la atracción de una aguja se encuentra en una obra del siglo I, Lunheng ( Investigaciones equilibradas ): "Una piedra imán atrae una aguja". [ 10 ] El científico chino del siglo XI , Shen Kuo, fue la primera persona en escribir —en los Ensayos de la Piscina de los Sueños— sobre la brújula de aguja magnética y que mejoraba la precisión de la navegación al emplear el concepto astronómico del norte verdadero . Para el siglo XII, se sabe que los chinos usaban la brújula de piedra imán para la navegación. Esculpían una cuchara direccional de piedra imán de tal manera que el mango de la cuchara siempre apuntaba al sur.
Alexander Neckam , hacia 1187, fue el primero en Europa en describir la brújula y su uso para la navegación. En 1269, Peter Peregrinus de Maricourt escribió la Epistola de magnete , el primer tratado que se conserva que describe las propiedades de los imanes. En 1282, Al-Ashraf Umar II , físico , astrónomo y geógrafo yemení, analizó las propiedades de los imanes y las brújulas secas . [ 11 ]
La única obra existente de Leonardo Garzoni , Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita ( Dos tratados sobre la naturaleza y las cualidades del imán ), es el primer ejemplo conocido de un tratamiento moderno de los fenómenos magnéticos. Escrito alrededor de 1580 y nunca publicado, el tratado tuvo una amplia difusión. En particular, Niccolò Cabeo se refiere a Garzoni como un experto en magnetismo, y su Philosophia Magnetica (1629) es simplemente una reformulación de la obra de Garzoni. El tratado de Garzoni también era conocido por Giovanni Battista Della Porta .
En 1600, William Gilbert publicó su obra De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure ( Sobre el imán, los cuerpos magnéticos y el gran imán, la Tierra ). En ella describe muchos de sus experimentos con su modelo terrestre, llamado terrella . A partir de estos experimentos, concluyó que la Tierra era magnética y que esta era la razón por la que las brújulas apuntaban al norte, mientras que anteriormente se creía que era la estrella polar Polaris o una gran isla magnética en el polo norte la que atraía la brújula.
La comprensión de la relación entre electricidad y magnetismo comenzó en 1819 con el trabajo de Hans Christian Ørsted , profesor de la Universidad de Copenhague, quien descubrió, mediante el movimiento accidental de la aguja de una brújula cerca de un cable, que una corriente eléctrica podía crear un campo magnético. Este experimento fundamental se conoce como el experimento de Ørsted. Jean-Baptiste Biot y Félix Savart , quienes en 1820 formularon la ley de Biot-Savart, que proporciona una ecuación para el campo magnético generado por un cable conductor de corriente. Casi al mismo tiempo, André-Marie Ampère realizó numerosos experimentos sistemáticos y descubrió que la fuerza magnética entre dos espiras de corriente continua de cualquier forma es igual a la suma de las fuerzas individuales que cada elemento de corriente de un circuito ejerce sobre cada uno de los demás elementos de corriente del otro circuito.
En 1831, Michael Faraday descubrió que un flujo magnético variable en el tiempo induce un voltaje a través de una espira de alambre. En 1835, Carl Friedrich Gauss hipotetizó, basándose en la ley de fuerza de Ampère en su forma original, que todas las formas de magnetismo surgen como resultado de cargas puntuales elementales que se mueven unas con respecto a otras. [ 12 ] Wilhelm Eduard Weber amplió la teoría de Gauss a la electrodinámica de Weber .
Alrededor de 1861, James Clerk Maxwell sintetizó y amplió muchas de estas ideas en las ecuaciones de Maxwell , unificando la electricidad, el magnetismo y la óptica en el campo del electromagnetismo . Sin embargo, la interpretación del magnetismo de Gauss no es totalmente compatible con la electrodinámica de Maxwell. En 1905, Albert Einstein utilizó las ecuaciones de Maxwell para fundamentar su teoría de la relatividad especial , [ 13 ] que exige que las leyes se cumplan en todos los sistemas de referencia inerciales . El enfoque de Gauss de interpretar la fuerza magnética como un mero efecto de las velocidades relativas volvió así, en cierta medida, a la electrodinámica.
El electromagnetismo ha seguido desarrollándose en el siglo XXI, incorporándose a las teorías más fundamentales de la teoría de gauge , la electrodinámica cuántica , la teoría electrodébil y, finalmente, el Modelo Estándar .
Fuentes
El magnetismo, en su esencia, surge de:
- Corriente eléctrica
- momentos magnéticos de espín de partículas elementales
- campos eléctricos cambiantes
Las propiedades magnéticas de los materiales se deben principalmente a los momentos magnéticos de los electrones que orbitan sus átomos . Los momentos magnéticos de los núcleos atómicos suelen ser miles de veces menores que los de los electrones, por lo que resultan insignificantes en el contexto de la magnetización de los materiales. Sin embargo, los momentos magnéticos nucleares son muy importantes en otros ámbitos, especialmente en la resonancia magnética nuclear (RMN) y la resonancia magnética (RM).
Normalmente, la enorme cantidad de electrones en un material se distribuye de tal manera que sus momentos magnéticos (tanto orbitales como intrínsecos) se anulan entre sí. Esto se debe, en parte, a que los electrones se combinan en pares con momentos magnéticos intrínsecos opuestos como resultado del principio de exclusión de Pauli (véase configuración electrónica ), y a que se combinan en subcapas llenas con movimiento orbital neto nulo. En ambos casos, los electrones adoptan preferentemente disposiciones en las que el momento magnético de cada electrón se cancela con el momento opuesto de otro electrón. Además, incluso cuando la configuración electrónica es tal que existen electrones desapareados o subcapas no llenas, a menudo los distintos electrones del sólido contribuyen con momentos magnéticos que apuntan en direcciones diferentes y aleatorias, por lo que el material no será magnético.
En ocasiones , ya sea de forma espontánea o debido a la aplicación de un campo magnético externo , los momentos magnéticos de los electrones se alinean, en promedio. Un material adecuado puede entonces generar un campo magnético neto intenso.
El comportamiento magnético de un material depende de su estructura, en particular de su configuración electrónica , por las razones ya mencionadas, y también de la temperatura. A altas temperaturas, el movimiento térmico aleatorio dificulta que los electrones mantengan su alineación.
Tipos

Diamagnetismo
El diamagnetismo aparece en todos los materiales y es la tendencia de un material a oponerse a un campo magnético aplicado y, por lo tanto, a ser repelido por él. Sin embargo, en un material con propiedades paramagnéticas (es decir, con tendencia a intensificar un campo magnético externo), predomina el comportamiento paramagnético. [ 15 ] Así, a pesar de su presencia universal, el comportamiento diamagnético se observa solo en un material puramente diamagnético. En un material diamagnético, no hay electrones desapareados, por lo que los momentos magnéticos intrínsecos de los electrones no pueden producir ningún efecto volumétrico. En estos casos, la magnetización surge de los movimientos orbitales de los electrones, que pueden entenderse clásicamente de la siguiente manera:
Cuando un material se coloca en un campo magnético, los electrones que orbitan alrededor del núcleo experimentan, además de la atracción de Coulomb hacia el núcleo, una fuerza de Lorentz generada por el campo magnético. Dependiendo de la dirección de la órbita del electrón, esta fuerza puede aumentar la fuerza centrípeta sobre los electrones, atrayéndolos hacia el núcleo, o disminuirla, alejándolos de él. Este efecto incrementa sistemáticamente los momentos magnéticos orbitales alineados en dirección opuesta al campo y disminuye los alineados en dirección paralela (de acuerdo con la ley de Lenz ). Esto da como resultado un pequeño momento magnético global, con dirección opuesta al campo aplicado.
Esta descripción pretende ser solo una heurística ; el teorema de Bohr-Van Leeuwen demuestra que el diamagnetismo es imposible según la física clásica, y que una comprensión adecuada requiere una descripción cuántico-mecánica .
Todos los materiales experimentan esta respuesta orbital. Sin embargo, en las sustancias paramagnéticas y ferromagnéticas, el efecto diamagnético se ve superado por los efectos mucho más fuertes causados por los electrones desapareados.
Paramagnetismo
En un material paramagnético existen electrones desapareados; es decir, orbitales atómicos o moleculares con un solo electrón. Mientras que el principio de exclusión de Pauli exige que los momentos magnéticos intrínsecos (o de espín) de los electrones apareados apunten en direcciones opuestas, lo que provoca la anulación de sus campos magnéticos, un electrón desapareado puede orientar su momento magnético en cualquier dirección. Al aplicar un campo magnético externo, estos momentos magnéticos tienden a alinearse en la misma dirección que el campo aplicado, reforzándolo.
Ferromagnetismo
Un ferromagneto, al igual que una sustancia paramagnética, posee electrones desapareados. Sin embargo, además de la tendencia del momento magnético intrínseco de los electrones a ser paralelo a un campo aplicado, estos materiales también tienden a orientarse paralelamente entre sí para mantener un estado de baja energía. De este modo, incluso en ausencia de un campo aplicado, los momentos magnéticos de los electrones en el material se alinean espontáneamente en paralelo.
Cada sustancia ferromagnética tiene una temperatura específica, denominada temperatura de Curie o punto de Curie, por encima de la cual pierde sus propiedades ferromagnéticas. Esto se debe a que la tendencia térmica al desorden supera la disminución de energía causada por el orden ferromagnético.
El ferromagnetismo solo se produce en unas pocas sustancias; las más comunes son el hierro , el níquel , el cobalto , sus aleaciones y algunas aleaciones de metales de tierras raras .
dominios magnéticos
Los momentos magnéticos de los átomos en un material ferromagnético hacen que se comporten como pequeños imanes permanentes. Se adhieren entre sí y se alinean formando pequeñas regiones de alineación más o menos uniforme, denominadas dominios magnéticos o dominios de Weiss . Los dominios magnéticos pueden observarse con un microscopio de fuerza magnética para revelar sus límites, que se asemejan a líneas blancas en el esquema. Existen numerosos experimentos científicos que permiten visualizar físicamente los campos magnéticos.
Cuando un dominio contiene demasiadas moléculas, se vuelve inestable y se divide en dos dominios alineados en direcciones opuestas, de modo que se adhieren entre sí de forma más estable.
Al exponerse a un campo magnético, los límites de los dominios se desplazan, de modo que los dominios alineados con el campo magnético crecen y predominan en la estructura (área amarilla punteada), como se muestra a la izquierda. Al retirar el campo magnetizante, es posible que los dominios no vuelvan a un estado no magnetizado. Esto provoca que el material ferromagnético se magnetice, formando un imán permanente.
Cuando un material se magnetiza con la suficiente intensidad como para que el dominio dominante supere a todos los demás, dando lugar a un único dominio, se considera saturado magnéticamente . Al calentar un material ferromagnético magnetizado hasta la temperatura de Curie , las moléculas se agitan hasta el punto de que los dominios magnéticos pierden su organización y cesan las propiedades magnéticas que generan. Al enfriarse el material, esta estructura de alineación de dominios se recupera espontáneamente, de forma similar a como un líquido se congela y se convierte en un sólido cristalino.
Antiferromagnetismo

En un antiferromagneto , a diferencia de un ferromagneto, los momentos magnéticos intrínsecos de los electrones de valencia vecinos tienden a apuntar en direcciones opuestas . Cuando todos los átomos de una sustancia están dispuestos de forma antiparalela, la sustancia es antiferromagnética . Los antiferromagnetos tienen un momento magnético neto nulo, ya que los momentos opuestos adyacentes se cancelan, lo que significa que no generan campo magnético. Los antiferromagnetos son menos comunes que otros tipos de comportamiento y se observan principalmente a bajas temperaturas. A temperaturas variables, los antiferromagnetos pueden presentar propiedades diamagnéticas y ferromagnéticas.
En algunos materiales, los electrones vecinos tienden a apuntar en direcciones opuestas, pero no existe una disposición geométrica en la que cada par de vecinos esté alineado en direcciones opuestas. Esto se conoce como antiferromagneto inclinado o hielo de espín , y es un ejemplo de frustración geométrica .
Ferrimagnetismo

Al igual que el ferromagnetismo, los ferrimagnetos conservan su magnetización en ausencia de un campo magnético. Sin embargo, como los antiferromagnetos, los pares de espines electrónicos vecinos tienden a apuntar en direcciones opuestas. Estas dos propiedades no son contradictorias, ya que en la disposición geométrica óptima, el momento magnético de la subred de electrones que apuntan en una dirección es mayor que el de la subred que apunta en la dirección opuesta.
La mayoría de las ferritas son ferrimagnéticas. La primera sustancia magnética descubierta, la magnetita , es una ferrita y originalmente se creía que era un ferromagneto; sin embargo, Louis Néel refutó esta idea tras descubrir el ferrimagnetismo.
Superparamagnetismo
Cuando un ferromagneto o ferrimagneto es suficientemente pequeño, se comporta como un único espín magnético sujeto al movimiento browniano . Su respuesta a un campo magnético es cualitativamente similar a la de un paramagneto, pero mucho mayor.
magnetismo de Nagaoka
El físico japonés Yosuke Nagaoka concibió un tipo de magnetismo en una red cuadrada bidimensional donde cada nodo de la red tenía un electrón. Si se eliminaba un electrón bajo ciertas condiciones, la energía de la red sería mínima solo cuando los espines de todos los electrones fueran paralelos.
Una variación de este fenómeno se logró experimentalmente mediante la disposición de los átomos en una red triangular de moiré de monocapas de diselenuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno . La aplicación de un campo magnético débil y un voltaje provocó un comportamiento ferromagnético cuando había entre un 100 % y un 150 % más de electrones que de nodos de la red. Los electrones adicionales se deslocalizaron y se emparejaron con los electrones de la red para formar pares. La deslocalización se impidió a menos que los electrones de la red tuvieran espines alineados. De esta manera, los pares crearon regiones ferromagnéticas localizadas. El fenómeno tuvo lugar a 140 milikelvin. [ 16 ]
Otros tipos de magnetismo
Material magnético
Si bien todos los materiales son magnéticos en cierta medida, las sustancias que mejoran significativamente el campo magnético se consideran materiales magnéticos . Estos materiales se clasifican además como ferromagnéticos , como el hierro , el níquel y el cobalto , o como ferrimagnéticos , como el Fe.3 O4 . [ 17 ] : 12Grandes bases de datos que enumeran las propiedades magnéticas de los materiales pueden ser analizadas por herramientas de IA para predecir nuevos materiales magnéticos. [ 18 ]
Electroimán

Un electroimán es un tipo de imán cuyo campo magnético se produce mediante una corriente eléctrica . [ 19 ] El campo magnético desaparece al interrumpir la corriente. Los electroimanes suelen constar de un gran número de espiras de alambre muy próximas entre sí que generan el campo magnético. Estas espiras se enrollan a menudo alrededor de un núcleo magnético fabricado con un material ferromagnético o ferrimagnético , como el hierro ; el núcleo magnético concentra el flujo magnético y crea un imán más potente.
La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético se puede modificar rápidamente controlando la cantidad de corriente eléctrica en el bobinado. Sin embargo, a diferencia de un imán permanente que no necesita energía, un electroimán requiere un suministro continuo de corriente para mantener el campo magnético.
Los electroimanes se utilizan ampliamente como componentes de otros dispositivos eléctricos, como motores , generadores , relés , solenoides, altavoces , discos duros , máquinas de resonancia magnética , instrumentos científicos y equipos de separación magnética . También se emplean en la industria para recoger y mover objetos pesados de hierro, como chatarra y acero. [ 20 ] El electromagnetismo se descubrió en 1820. [ 21 ]
Magnetismo, electricidad y relatividad especial
Como consecuencia de la teoría de la relatividad especial de Einstein , la electricidad y el magnetismo están fundamentalmente interconectados. Tanto el magnetismo sin electricidad como la electricidad sin magnetismo son inconsistentes con la relatividad especial, debido a efectos como la contracción de la longitud , la dilatación del tiempo y el hecho de que la fuerza magnética depende de la velocidad. Sin embargo, cuando se tienen en cuenta tanto la electricidad como el magnetismo, la teoría resultante ( electromagnetismo ) es totalmente consistente con la relatividad especial. [ 13 ] [ 22 ] En particular, un fenómeno que parece puramente eléctrico o puramente magnético para un observador puede ser una mezcla de ambos para otro, o más generalmente las contribuciones relativas de la electricidad y el magnetismo dependen del marco de referencia. Así, la relatividad especial "mezcla" la electricidad y el magnetismo en un único fenómeno inseparable llamado electromagnetismo , de forma análoga a como la relatividad general "mezcla" el espacio y el tiempo en el espaciotiempo .
Todas las observaciones sobre electromagnetismo se aplican a lo que podría considerarse principalmente magnetismo, por ejemplo, las perturbaciones en el campo magnético están necesariamente acompañadas por un campo eléctrico distinto de cero y se propagan a la velocidad de la luz . [ 23 ]
Campos magnéticos en un material
En el vacío, donde μ 0 es la permeabilidad del vacío .
En un material,
La cantidad μ 0 M se llama polarización magnética .
Si el campo H es pequeño, la respuesta de la magnetización M en un diamagneto o paramagneto es aproximadamente lineal: la constante de proporcionalidad se llama susceptibilidad magnética. Si es así,
En un imán duro como un ferromagneto, M no es proporcional al campo y generalmente es distinto de cero incluso cuando H es cero (véase Remanencia ).
fuerza magnética

El fenómeno del magnetismo está mediado por el campo magnético. Una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, y ese campo, a su vez, ejerce fuerzas magnéticas sobre otras partículas que se encuentran dentro de él.
Las ecuaciones de Maxwell, que se simplifican a la ley de Biot-Savart en el caso de corrientes estacionarias, describen el origen y el comportamiento de los campos que rigen estas fuerzas. Por lo tanto, el magnetismo se observa siempre que las partículas con carga eléctrica están en movimiento , por ejemplo, debido al movimiento de electrones en una corriente eléctrica o, en ciertos casos, al movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo de un átomo. También surgen de dipolos magnéticos "intrínsecos" derivados del espín cuántico .
Las mismas situaciones que generan campos magnéticos —el movimiento de cargas en una corriente eléctrica o en un átomo, y los dipolos magnéticos intrínsecos— son también aquellas en las que un campo magnético ejerce un efecto, creando una fuerza. A continuación se presenta la fórmula para el movimiento de cargas; para las fuerzas que actúan sobre un dipolo intrínseco, consulte la sección sobre dipolos magnéticos.
Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B , experimenta una fuerza de Lorentz F dada por el producto vectorial : [ 24 ] dóndees la carga eléctrica de la partícula, yes el vector de velocidad de la partícula.
Debido a que se trata de un producto vectorial , la fuerza es perpendicular tanto al movimiento de la partícula como al campo magnético. La magnitud de la fuerza es dóndees el ángulo entre v y B.
La dirección del vector de fuerza se puede determinar utilizando la regla de la mano derecha para calcular la dirección dey utilizando el signo de la carga(Si tiene carga negativa, la fuerza apunta en la dirección opuesta al pulgar).
dipolos magnéticos
Todos los imanes conocidos son dipolos , lo que significa que tienen un polo norte y un polo sur. Se denominan así porque el campo magnético terrestre ejerce una fuerza que hace que los polos de un imán apunten hacia las zonas cercanas a los polos norte y sur de la Tierra , concretamente al polo magnético norte y al polo magnético sur . El polo norte de un imán es atraído por el polo sur de otro imán.
Un campo magnético contiene energía , y los sistemas físicos tienden a adoptar configuraciones con menor energía. Cuando un material diamagnético se coloca en un campo magnético, un dipolo magnético tiende a alinearse con polaridad opuesta a dicho campo, reduciendo así la intensidad del campo resultante. Cuando un material ferromagnético se coloca en un campo magnético, los dipolos magnéticos se alinean con el campo aplicado, expandiendo así las paredes de los dominios magnéticos.
monopolos magnéticos
Dado que el ferromagnetismo de un imán de barra proviene de electrones distribuidos uniformemente a lo largo de la barra, al cortarlo por la mitad, cada una de las piezas resultantes es un imán de barra más pequeño. Si bien se dice que un imán tiene un polo norte y un polo sur, estos dos polos no pueden separarse. Un monopolo —si tal cosa existe— sería un tipo de objeto magnético nuevo y fundamentalmente diferente. Actuaría como un polo norte aislado, no unido a un polo sur, o viceversa. Los monopolos tendrían una "carga magnética" análoga a la carga eléctrica. A pesar de las búsquedas sistemáticas realizadas desde 1931, nunca se han observado. [ 25 ]
Sin embargo, algunos modelos de física teórica predicen la existencia de estos monopolos magnéticos . Paul Dirac observó en 1931 que, debido a que la electricidad y el magnetismo presentan cierta simetría , al igual que la teoría cuántica predice que las cargas eléctricas positivas o negativas individuales pueden observarse sin la carga opuesta, deberían observarse polos magnéticos aislados, ya sean norte o sur. Utilizando la teoría cuántica, Dirac demostró que si existen monopolos magnéticos, entonces se podría explicar la cuantización de la carga eléctrica; es decir, por qué las partículas elementales observadas tienen cargas que son múltiplos de la carga del electrón.
Ciertas teorías de gran unificación predicen la existencia de monopolos que, a diferencia de las partículas elementales, son solitones (paquetes de energía localizados). Los resultados iniciales del uso de estos modelos para estimar el número de monopolos creados en el Big Bang contradecían las observaciones cosmológicas: los monopolos habrían sido tan abundantes y masivos que habrían detenido la expansión del universo hace mucho tiempo. Sin embargo, la idea de la inflación (para la cual este problema sirvió como motivación parcial) logró resolverlo, creando modelos en los que los monopolos existían, pero eran lo suficientemente raros como para ser consistentes con las observaciones actuales. [ 26 ]
Unidades
SI
Otro
- gauss – la unidad CGS-Gaussiana del campo magnético (denotada B ).
- oersted – la unidad CGS-Gaussiana del campo magnetizante (denotada H )
- Maxwell : la unidad CGS-Gaussiana para el flujo magnético
- μ 0 – símbolo común para la permeabilidad del espacio libre
Seres vivos

Algunos organismos pueden detectar campos magnéticos, un fenómeno conocido como magnetocepción . Algunos materiales en los seres vivos son ferromagnéticos, aunque no está claro si las propiedades magnéticas cumplen una función especial o son simplemente un subproducto de la presencia de hierro. Por ejemplo, los quitones , un tipo de molusco marino, producen magnetita para endurecer sus dientes, e incluso los humanos producen magnetita en sus tejidos corporales. [ 28 ]
La magnetobiología estudia los efectos de los campos magnéticos en los organismos vivos; los campos producidos naturalmente por un organismo se conocen como biomagnetismo . Muchos organismos biológicos están compuestos principalmente de agua, y debido a que el agua es diamagnética , los campos magnéticos extremadamente fuertes pueden repeler a estos seres vivos.
Interpretación del magnetismo mediante velocidades relativas
En los años posteriores a 1820, André-Marie Ampère realizó numerosos experimentos en los que midió las fuerzas entre corrientes continuas. En particular, también estudió las fuerzas magnéticas entre cables no paralelos. [ 29 ] El resultado final de su trabajo fue una ley de fuerza que ahora lleva su nombre. En 1835, Carl Friedrich Gauss se dio cuenta [ 12 ] de que la ley de fuerza de Ampère en su forma original puede explicarse mediante una generalización de la ley de Coulomb .
La ley de fuerza de Gauss establece que la fuerza electromagnéticaexperimentado por un cargo puntual,con trayectoria, en las proximidades de otra carga puntual,con trayectoriaEn el vacío, es igual a la fuerza central., dóndees la distancia entre las cargas yes la velocidad relativa. Wilhelm Eduard Weber confirmó la hipótesis de Gauss en numerosos experimentos. [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] Mediante la electrodinámica de Weber es posible explicar los efectos estáticos y cuasiestáticos en el régimen no relativista de la electrodinámica clásica sin campo magnético ni fuerza de Lorentz .
Desde 1870, se ha desarrollado la electrodinámica de Maxwell , que postula la existencia de campos eléctricos y magnéticos. En la electrodinámica de Maxwell, la fuerza electromagnética real se puede calcular utilizando la fuerza de Lorentz, que, al igual que la fuerza de Weber, depende de la velocidad. Sin embargo, la electrodinámica de Maxwell no es totalmente compatible con el trabajo de Ampère, Gauss y Weber en el régimen cuasiestático. En particular, la ley de fuerza original de Ampère y la ley de Biot-Savart solo son equivalentes si el bucle conductor generador de campo está cerrado. [ 33 ] Por lo tanto, la electrodinámica de Maxwell representa una ruptura con la interpretación del magnetismo de Gauss y Weber, ya que en la electrodinámica de Maxwell ya no es posible deducir la fuerza magnética a partir de una fuerza central.
Origen cuántico-mecánico del magnetismo
Si bien se pueden formular explicaciones heurísticas basadas en la física clásica, el diamagnetismo, el paramagnetismo y el ferromagnetismo solo pueden explicarse completamente utilizando la teoría cuántica. [ 34 ] [ 35 ] Walter Heitler y Fritz London desarrollaron un modelo exitoso ya en 1927, quienes derivaron, mediante mecánica cuántica, cómo se forman las moléculas de hidrógeno a partir de átomos de hidrógeno, es decir, a partir de los orbitales atómicos del hidrógeno.ycentrado en los núcleos A y B , véase más abajo. Que esto dé lugar al magnetismo no es nada obvio, pero se explicará a continuación.
Según la teoría de Heitler-London, la llamada interacción molecular de dos cuerpos-se forman orbitales, es decir, el orbital resultante es:
Aquí, el último producto significa que un primer electrón, r 1 , se encuentra en un orbital atómico de hidrógeno centrado en el segundo núcleo, mientras que el segundo electrón orbita alrededor del primero. Este fenómeno de "intercambio" es una expresión de la propiedad cuántica que establece que las partículas con propiedades idénticas no se pueden distinguir. Es específico no solo para la formación de enlaces químicos , sino también para el magnetismo. Es decir, en este contexto surge el término interacción de intercambio , un término esencial para el origen del magnetismo, y que es aproximadamente 100 veces más fuerte, e incluso 1000 veces más fuerte, que las energías derivadas de la interacción dipolo-dipolo electrodinámica.
En cuanto a la función de espín, que es responsable del magnetismo, tenemos el principio de Pauli ya mencionado, a saber, que un orbital simétrico (es decir, con el signo + como arriba) debe multiplicarse por una función de espín antisimétrica (es decir, con un signo −), y viceversa . Por lo tanto: , es decir, no soloydebe sustituirse por α y β , respectivamente (la primera entidad significa "giro hacia arriba", la segunda "giro hacia abajo"), pero también el signo + por el signo −, y finalmente r i por los valores discretos s i (= ± 1 ⁄ 2 ); por lo tanto tenemosyEl estado singlete , es decir, el signo negativo, significa que los espines son antiparalelos ; es decir, en el sólido se da el antiferromagnetismo , y en las moléculas de dos átomos, el diamagnetismo . La tendencia a formar un enlace químico homoepolar (es decir, la formación de un orbital molecular simétrico , es decir, con el signo positivo) resulta, por el principio de exclusión de Pauli, automáticamente en un estado de espín antisimétrico (es decir, con el signo negativo). Por el contrario, la repulsión de Coulomb entre los electrones, es decir, la tendencia a que intenten evitarse mutuamente mediante esta repulsión, daría lugar a una función orbital antisimétrica (es decir, con el signo negativo) de estas dos partículas, complementaria a una función de espín simétrica (es decir, con el signo positivo, una de las llamadas funciones triplete ). Así, los espines serían paralelos ( ferromagnetismo en un sólido, paramagnetismo en gases de dos átomos).
La última tendencia mencionada predomina en los metales hierro , cobalto y níquel , y en algunas tierras raras, que son ferromagnéticas . La mayoría de los demás metales, donde predomina la primera tendencia, son no magnéticos (por ejemplo , sodio , aluminio y magnesio ) o antiferromagnéticos (por ejemplo, manganeso ). Los gases diatómicos también son casi exclusivamente diamagnéticos, y no paramagnéticos. Sin embargo, la molécula de oxígeno, debido a la participación de orbitales π, constituye una excepción importante para las ciencias de la vida.
Las consideraciones de Heitler-London pueden generalizarse al modelo de magnetismo de Heisenberg (Heisenberg 1928).
La explicación de los fenómenos se basa esencialmente en todas las sutilezas de la mecánica cuántica, mientras que la electrodinámica abarca principalmente la fenomenología.
Véase también
- Imán amorfo
- Coercitividad
- Gravitomagnetismo
- Histéresis magnética
- Magnetar
- Cojinete magnético
- Circuito magnético
- Refrigeración magnética
- Película para la visualización del campo magnético
- levitación magnética
- Agitador magnético
- imanes basados en moléculas
- Fuente de alimentación conmutada
- Estructura magnética
- Micromagnetismo
- Imán de neodimio
- Imán de plástico
- Imán de tierras raras
- Onda giratoria
- Magnetización espontánea
- magnetómetro de muestra vibrante
- Libros de texto sobre electromagnetismo
Referencias
- ↑ Jiles, David (2 de septiembre de 2015). Introducción al magnetismo y a los materiales magnéticos (Tercera ed.). Boca Raton. ISBN 978-1-4822-3887-7OCLC 909323904
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un pasaje dans le
Liu-che-tch'ouen-ts'ieou
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De la sección " Jingtong " (精通) del "Almanaque del último mes de otoño" (季秋紀): "慈石召鐵,或引之也]"
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Lecturas adicionales
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- Furlani, Edward P. (2001). Dispositivos electromecánicos y de imanes permanentes: materiales, análisis y aplicaciones . Academic Press . ISBN 978-0-12-269951-1OCLC 162129430
- Griffiths, David J. (1998). Introducción a la electrodinámica (3.ª ed.) . Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0OCLC 40251748
- Kronmüller, Helmut. (2007). Manual de magnetismo y materiales magnéticos avanzados, conjunto de 5 volúmenes . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-02217-7OCLC 124165851
- Purcell, Edward M. (2012). Electricidad y magnetismo (3.ª ed.). Cambridge: Cambridge Univ. Press. ISBN 9781-10701-4022.
- Tipler, Paul (2004). Física para científicos e ingenieros: electricidad, magnetismo, luz y física moderna elemental (5.ª ed.) . WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0OCLC 51095685
- Coey, JMD (2019). Magnetismo y materiales magnéticos . Cambridge University Press. ISBN 978-1108717519.
Enlaces externos
- Aperitivos científicos del Exploratorium – Tema: Física/Electricidad y magnetismo. Archivado el 7 de abril de 2013 en Wayback Machine.
- Una colección de estructuras magnéticas – MAGNDATA Archivado el 30/09/2023 en Wayback Machine
- Magnetismo