El físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879), luego de estudiar los fenómenos eléctricos y magnéticos concluyó que son producto de una misma interacción, denominada interacción electromagnética o electromagnetismo.
Alrededor del año 1850, Maxwell publicó las llamadas ecuaciones de Maxwell, que describen el comportamiento del campo electromagnético. Estas ecuaciones dicen esencialmente que:
– Existen portadores de cargas eléctricas, y las líneas del campo eléctrico parten desde las cargas positivas y terminan en las cargas negativas.
– No existen portadores de carga magnética; por lo tanto, el número de líneas del campo magnético que salen desde un volumen dado, debe ser igual al número de líneas que entran a dicho volumen.
– Un imán en movimiento, o, dicho de otra forma, un campo magnético variable, genera una corriente eléctrica llamada corriente inducida.
– Cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.
El magnetismo de los electrones
Volvamos un poco atrás. Hemos dicho que no existen cargas magnéticas; que si partimos un imán por la mitad, entonces obtendremos dos imanes, cada uno con sus respectivos polos magnéticos. Por otro lado, si partimos nuevamente ambos imanes, obtendremos más imanes.
¿Qué sucede si continuamos realizando esto?
Puesto que no podemos continuar así por siempre, en algún momento llegaremos a las partículas que componen la materia, vale decir, los electrones, protones y neutrones. Pues bien, actualmente los físicos saben que los electrones son en sí mismos pequeños imanes. Estos pequeños imanes (electrones) se caracterizan por un momento dipolar magnético.
¿Por qué, entonces, no todos los materiales son magnéticos, dado que toda la materia está compuesta de electrones?
La respuesta a esta pregunta fue dada recién en el siglo pasado con el surgimiento de la mecánica cuántica. Aun cuando todos los materiales están formados por átomos, y estos a su vez contienen electrones –que como ya se mencionó son pequeños imanes–, las características magnéticas de un material se deben, realmente, a la forma en que se ordenan los electrones de cada átomo cuando se encuentran junto a otros átomos y electrones. Por lo tanto, el fenómeno del magnetismo que observamos en la materia es una característica macroscópica de un fenómeno microscópico.
En los imanes (materiales ferromagnéticos) los momentos dipolares magnéticos de cada electrón se encuentran alineados en una misma dirección; es decir, la fuerza que hace cada “imancito” se ve reforzada por la de los imancitos que están a su lado, y así sucesivamente. Lo que da como resultado una fuerza neta, que es la que podemos observar.
La causa fundamental de este alineamiento es que al sistema (átomos con sus electrones) le es más “cómodo” este tipo de ordenamiento (el que los momentos dipolares de los distintos electrones se encuentren alineados) que cualquier otro.
La idea de “comodidad” guarda relación con las distintas interacciones que se establecen entre los componentes del sistema. Un ejemplo de esto es lo que ocurre cuando deseamos caminar por una calle donde hay mucha gente. Ciertamente, si estuviésemos solos daría exactamente lo mismo el lugar y la dirección hacia la cual caminásemos; pero cuando nos encontramos rodeados de gente no es así. En este caso, lo más cómodo para el sistema (toda la gente, incluyéndonos nosotros) es que los que van en una dirección caminen por un lado de la calle en esa dirección, mientras que los que van hacia otra dirección caminen por otro lado de la calle. Si bien de esta forma avanzaremos más lento, al menos podremos movernos.
En los materiales ferromagnéticos y paramagnéticos los imancitos o momentos dipolares magnéticos se encuentran completamente desordenados, de tal forma que las fuerzas producidas por algunos imancitos son anuladas por otros. Por esta razón, el material no muestra el mismo comportamiento que presentan los imanes naturales (que están alineados en una misma dirección).
Sin embargo, si acercamos un campo magnético externo al material ferromagnético o paramagnético, cada electrón tiende a alinearse, de modo que su campo magnético propio tome la misma dirección que el campo magnético externo, dando esto como resultado el hecho de que el material “transfiere” la fuerza del campo magnético; o, dicho de otra forma, se imanta.
Glosario
– Mecánica cuántica: rama de la física que describe el comportamiento microscópico de las partículas.
– Macroscópico: en física, se refiere a sistemas en los cuales contamos con miles de millones de millones de partículas, donde el comportamiento individual de cada partícula pierde relevancia, y sólo observamos un comportamiento global del sistema.
– Microscópico: en física, se refiere a sistemas que poseen pocas partículas, de modo que el comportamiento individual de cada una de ellas es relevante.
Momento magnético dipolar
El momento magnético dipolar es una magnitud que se asocia a cualquier tipo de imán, sea este artificial (construido) o natural. Cuando queremos saber cuán “fuerte” es un imán y además hacia dónde tiene orientados sus polos magnéticos, entonces buscamos conocer cuál es el momento magnético dipolar del imán.
En los imanes el momento magnético dipolar se puede representar, al igual que las fuerzas, como una flecha que va desde el polo sur hasta el polo norte del imán.
Imaginemos que tenemos dos imanes naturales sobre una mesa, denominados imán A e imán B. Entonces, tomamos el imán A cuidando de dejar su polo norte hacia adelante y lo acercamos al imán B. Si el momento magnético dipolar del imán B se encuentra dispuesto diagonalmente respecto al del de A, observaremos que el imán B tiende a girar y a trasladarse de modo que su polo sur quede lo más cercano al polo norte del imán A. Dicho en otras palabras, el imán B tiende a alinear su momento dipolar magnético con el momento del imán A. Es por esta razón que cuando acercas dos piezas de ajedrez cuyas bases tienen imanes, estas giran y se trasladan de maneras muy entretenidas para nosotros. Los imanes que tienen en sus bases tienden a alinear sus momentos magnéticos dipolares.
