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Si tomas un pedazo de madera y lo pones cerca de otro pedazo de madera ... no pasa nada.
Y si tomas un pedazo de granito y lo pones junto a otra roca ... nada todavía.
Pero si tomas este pedazo de hierro y lo pones junto a este otro pedazo de hierro ... ¡magia!
Quiero decir, imán.
Los objetos magnéticos puenden atraer mágicamente a una larga distancia porque generan campos
magnéticos que se extienden invisibles más allá del objeto. Pero el misterio es este ¿De dónde
vienen los campos magnéticos?
Bueno ¡eso es fácil Henry! Hemos sabido por mucho tiempo que electricidad y magnetismo
en realidad son los dos lados de la misma moneda, parecido a masa y energía o tiempo y espacio,
y pueden transformarse en el otro. De hecho, los campos magnéticos básicamente sólo son
en lo que se transforman los campos eléctricos ¡cuando un objeto eléctricamente cargado empieza a moverse!
Eso tiene sentido para explicar porqué una corriente de electrones que fluye por un alambre
hace que la aguja de esta brújula se mueva, o cómo las corrientes en la corteza exterior de la Tierra generan
el campo geomagnético ... pero un imán de barra o la aguja de una brújula por sí mismos sólo son pedazos
de metal sin ninguna corriente eléctrica fluyendo en su interior.
¿O lo son? A un nivel microscópico, hay montones de electrones zumbando
en los átomos y moléculas que forman cualquier sólido.
¡Cierto! Esto trae un punto excelente; el comportamiento magnético de cualquier objeto
ordinario es influenciado por una fascinante combinación de efectos que van desde las partículas
a los átomos, formaciones de átomos y formaciones de formaciones de átomos. Primero, partículas
individuales.
A diferencia del funcionamiento cotidiano de la gravedad y la electricidad, los imanes permanentes sólo pueden
entenderse por completo como un efecto de mecánica cuántica. De forma muy parecida que las partículas como los electrones
y los quarks tienen propiedades fundamentales llamadas masa y carga eléctrica, la mayoría de las partículas
TAMBIÉN tienen otra propiedad intrínseca, llamada "imancito". Es broma, se llama
"momento magnético intrínseco," pero en realidad, eso es sólo jerga técnica que dice que las partículas
con carga eléctrica TAMBIÉN ocurre que son imanes muy pequeñitos.
Si quieres saber PORQUÉ son imanes pequeñitos, bueno, puedes igual preguntar PORQUÉ
las partículas tienen carga en primer lugar, o ¿por qué los objetos con energía y momento
atraen gravitacionalmente? Nadie lo sabe ... Sólo sabemos que esto es verdad,así es como
funciona el universo.
Exacto, desde los 1920's, sabemos que cada electrón o protón individual
es básicamente un imán pequeñito. Los que nos trae al nivel de los átomos.
Un átomo es un montón de protones con carga positiva con un montón de electrones con carga negativa
zumbando alrededor de ellos. Los pequeños imanes de protón son aproximadamente 1000 veces más débiles que los de electrón
así que el núcleo del átomo casi no tiene efecto en el magnetismo del átomo como
un todo.
Y podrías pensar que ya que muchos de los electrones (aunque no todos) también se están
moviendo, como la corriente en un alambre, deberían generar campos magnéticos a partir de ese movimiento.
En realidad sí lo hacen, éstos son conocidos como campos magnéticos "orbitales".
Excepto que, estos usualmente no contribuyen al campo magnético de un átomo. Es por esto:
Los electrones en los átomos son descritos exacta y complicadamente por la mecánica cuántica, pero la escencia
del cuento es que los electrones se congregan en capas alrededor del núcleo. Los electrones
en cualquier capa llena se mueven igualmente en todas las direcciones y así las corrientes que generan se cancelan
y no se genera ningún campo magnético. Estos electrones también vienen en pares cuyos pequeños imanes apuntan
en direcciones opuestas y también se cancelan.
Sin embargo, en una capa medio llena, todos los electrones están no pareados y sus imancitos
apuntan en la misma dirección y se suman, lo que significa que el magnetismo intrínseco de los electrones
en la capa exterior es la que le da a un átomo la mayoría de su campo magnético.
Así que los átomos cerca del lado de cualquier de los bloques mayores de la tabla periódica, los cuales tienen
capas exteriores llenas (o casi llenas), no son muy magnéticos. Y los átomos en MEDIO de
los bloques tienen capas exteriores medio llenas y son magnéticos. Por ejemplo, Níquel, Cobalto,
Hierro, Manganeso, Cromo, etc.
Espera, ¡Pero el cromo no es magnético!
Ah, pero sólo porque un átomo es magnético no significa que un material hecho de montones
de ese átomo será magnético. Lo que nos trae al nivel de los cristales.
Cuando un montón de átomos magnéticos se juntan para hacer un sólido, generalmente tienen dos opciones.
Una es que todos los átomos alineen sus campos magnéticos o pueden
alinear los campos magnéticos de una forma alternada así que se cancelan. Los átomos
harán los que sea que requiera menos energía.
Es por eso que el cromo, por ejemplo, es un átomo muy magnético pero es un sólido
no magnético, porque es uno de los materiales más anti-ferromagnéticos que conozco. El hierro, por otra parte,
origina el nombre ferromagnetismo, así que es, sin sorpresa, ferromagnético. O en
el habla común: magnético.
Algunas veces.
El nivel último y final del magnetismo es el de los dominios. Escencialmente, aún en un material
magnético donde los campos magnéticos de los átomos se alinean, es posible que un pedazo
del material tenga sus átomos apuntando en una dirección, y otro pedazo
tenga sus átomos apuntando en otra dirección, y así sigue.
Si todos estos "Dominios" tienen un tamaño similar, ninguno puede ser suficientemente fuerte
para forzar a los otros a alinearse con él, y así un pedazo de hierro, por ejempo, puede no tener
un campo magnético por todos los reinos magnéticos rivales dentro de él.
Sin embargo, si aplicas un campo/fuerza/presión magnética desde el exterior
del material, puedes favorecer/ayudar a un dominio a expandir su control sobre sus vecinos,
y así es hasta que todos los dominios se han unido en un reino, todos apuntando
en la misma dirección.
Y ahora, finalmente, puedes gobernar con puño de hierro ... digo, con un imán. Es magnético, porque es ferromagnético y todos sus dominios están alineados.
¡Exacto! Lo que es notable es que el magnetismo es fundamentalmente una propiedad cuántica
amplificada al tamaño de los objetos comunes: todo imán permanente es un recordatorio de que
la mecánica cuántica es la base de nuestro universo; para que cualquier objeto sea magnético, debe
tener un reino unificado de dominios magnéticos, cada uno hecho de multimillones de átomos magnéticos
los cuales también necesitan estar alineados entre sí, cada uno de los cuales sólo puede ser magnético en
primer lugar si tiene una capa de electrones aproximadamente exterior medio llena así que sus campos
magnéticos intrínsecos pueden alinearse y no cancelarse entre sí. No sorprende que estos criterios
son bastante difíciles de cumplir, por lo que sólo hay un número limitado de materiales
apropiados que puedes usar para construir un imán.
O sólo puedes circular una corriente eléctrica a través de cualquier conductor eléctrico y generar un campo
mágnetico de esa forma. Pero oye ... ¿Por qué eso funciona en
primer lugar? Haz click acá para ir al Veritasium y averiguaremos que la relatividad especial
y la velocidad de la luz tienen que ver con los electroimanes. Yo quiero averiguarlo.