El magnetismo... poderoso siervo del hombre
MAGNETISMO... ¿cómo sería la vida en esta edad moderna sin él? ¡Pues, nos trae la electricidad que calienta nuestros hogares, alumbra nuestras carreteras, cocina nuestros alimentos y efectúa muchas tareas para nosotros diariamente! Si no fuera por el magnetismo no podríamos disfrutar de excelente música en la radio, ver un programa de televisión y ni siquiera llamar a un amigo por teléfono.
Asociado con esta fuerza extraordinaria está algo que los chinos llamaban “La piedra que lame hierro.” Los marineros se referían a ella como “la piedra que guía.” Nosotros la llamamos piedra imán o magnética, adjetivo relacionado con el nombre del mineral magnetita, que abundaba en Magnesia, un distrito del Asia Menor. Sin embargo, sea cual sea su nombre, el misterioso poder dentro de la piedra imán la hizo tan preciada como el oro. Los reyes se sentían fascinados por ella. Los marinos navegaban los océanos por medio de una pequeña brizna de ésta. Los paganos creían que los dioses habían enviado la piedra para guiarlos. Pero a pesar de toda la atención que se le dio, nadie en el mundo antiguo hubiera podido prever el tremendo potencial de la fuerza que llamamos magnetismo.
Hoy día no es difícil obtener un imán. Aunque por lo general no es fácil obtener el mineral magnetita, sí es posible, por una pequeña cantidad, comprar imanes de gran poder hechos por el hombre. Muchos niños se han divertido por horas jugando con un par de imanes pequeños. El caso es que los imanes son tan abundantes hoy en día que a menudo pasan desadvertidos.
Pero, ¿precisamente qué es el magnetismo? ¿Cómo nos afecta? ¿Cuál es la fuente de su misterioso poder? Examinemos más detenidamente este poderoso siervo del hombre.
Características del magnetismo
Unos pocos experimentos con dos imanes en forma de barra nos ayudarán a ver algunos fundamentos del magnetismo. Coloque un pedazo de papel sobre el primer imán y espolvoree algunas limaduras de hierro (como las de un clavo) sobre el papel. El golpear levemente el papel con el dedo hará que estas limaduras formen un modelo extraño. Note que todos los pedacitos de hierro se agrupan en líneas que parecen formar una curva al salir de un extremo del imán y entrar en el otro. Observamos aquí solamente una pequeña parte del campo magnético. Estas líneas invisibles de fuerza magnética en realidad rodean completamente al imán, en toda dirección. Las zonas en cada extremo del imán en las que convergen todas estas líneas se llaman polos. Cada imán tiene dos polos que no pueden separarse uno del otro. Si cortáramos nuestra barra imanada por la mitad, el resultado no sería dos mitades de imán, que poseyeran un polo cada cual. Más bien, tendríamos dos imanes completos, y cada cual tendría dos polos, como el imán original.
Ahora que hemos trazado el campo magnético e identificado los dos polos del imán, observemos otra propiedad muy interesante del magnetismo. Sujete una cuerda por el medio de un imán y suspéndalo en el aire. Notará que uno de los extremos del imán girará hasta que al fin señale al norte. Si usted lo aparta de esta posición siempre volverá a dirigirse hacia el norte. El polo del imán que señala al norte se llama polo que busca el norte, y el que señala hacia el sur, el polo que busca el sur. Esta propiedad del magnetismo es la base de la brújula. ¿Pero qué ocasiona este fenómeno?
Para averiguarlo, tendremos que usar el segundo imán. En cada imán marquemos el polo que señala al norte con una N y el que señala al sur con una S. Ahora tome un imán en cada mano y mueva la N de un imán cerca de la S del otro. ¿Qué sucede? Parece haber una fuerza invisible que las hace juntarse. Pero invierta la posición de uno de estos imanes, uniendo las Enes o las Eses y la fuerza ahora parece hacerlas apartarse. Esto demuestra una ley inalterable del magnetismo, a saber, los polos opuestos siempre se atraen, mientras que los polos iguales siempre se repelen.
Es por eso que un extremo del imán siempre se dirige al norte. La Tierra misma tiene un campo magnético, tal como lo tiene la barra de imán. Este campo se extiende muy lejos en el espacio y converge en cada uno de los polos de la Tierra. Así, el polo del imán que busca el norte siempre será atraído por el Polo Norte del “imán Tierra,” a la vez que siempre será repelido por el Polo Sur.
Probablemente la característica más familiar del magnetismo es su habilidad de atraer los metales. Sin embargo, no todos los metales son atraídos por el imán. El bronce, el aluminio, el oro y la plata no son atraídos por el imán, mientras que el hierro, el acero, el níquel, el cobalto, el cromio y otros metales son atraídos, aunque en grados diversos. Es interesante el hecho de que el poder de atracción de un imán es igual en sus dos polos. Es por eso que, por ejemplo, un clavo de hierro es atraído con la misma fuerza por cualquiera de los extremos de nuestra barra magnética.
Nuestra ojeada a estas características fundamentales del magnetismo nos deja con preguntas muy importantes sin contestar. ¿Cuál es la fuente de este poder? Sí, ¿precisamente qué ocasiona el magnetismo? ¿Y por qué no son magnéticos todos los metales?
La causa del magnetismo
Para hallar las respuestas a las preguntas anteriores, tendremos que examinar el bloque de construcción fundamental de la materia, el átomo. Este consiste en un núcleo sumamente compacto, compuesto de protones y neutrones, alrededor del cual giran en círculo diversos números de electrones, muy parecido a como los planetas de nuestro sistema solar giran en órbita alrededor del Sol. Este movimiento de electrones en realidad produce una pequeña fuerza magnética dentro del átomo. La mayoría de los electrones están apareados de tal manera que sus campos magnéticos se cancelan unos a otros. Cuando todos los electrones en un átomo están apareados, el campo magnético neto es cero. Los materiales compuestos de tales clases de átomos no son magnéticos.
Pero si los electrones del átomo no están apareados, éste tiene un momento magnético neto, como lo llaman los científicos. La fuerza de este momento magnético determina la manera en que los átomos se alinean en el metal sólido. En la mayoría de los metales, la agitación de los átomos a temperaturas ordinarias es lo suficientemente grande como para vencer las fuerzas magnéticas, y los imanes atómicos se desordenan en todas las direcciones. El resultado neto de los campos magnéticos de un gran número de átomos es cero como promedio.
Sin embargo, se puede inducir el magnetismo en esos metales colocándolos en otro campo magnético. El cromio es uno de estos metales. La fuerza del campo magnético produce una alineación paralela de los átomos. Pero en cuanto se remueve del campo, la agitación térmica prevalece de nuevo, y esto destruye la alineación. El cromio pierde su magnetismo. A metales como éste, que no retienen el magnetismo, se les llama paramagnéticos.
En contraste, en algunos metales, entre éstos el hierro, cobalto y níquel, lo átomos individuales tiene momentos magnéticos mucho más fuertes. Son tan fuertes que cuando los átomos se están cristalizando después de ser derretido el material, un átomo siente la influencia de su vecino, y los grupos atómicos comienzan a alinearse con sus ejes magnéticos paralelos. Cada uno de estos grupos efectivamente se convierte en un imán pequeño. Sin embargo, estos grupos son de tamaño microscópico y al volver a fundir el metal se orientan al azar. A eso se debe que, por ejemplo, un clavo ordinario de hierro no sea un imán.
Pero si se coloca un pedazo de hierro en un campo magnético, los grupos que están alineados con el campo tienden a crecer a expensas de los grupos vecinos, obligando a los átomos adyacentes a alinearse con ellos. Se intensifica esta acción calentando el metal, o sometiéndolo a un esfuerzo por medio de estirarlo. La alineación que se forma así persiste cuando se remueve el hierro del campo. Así, el metal se convierte en un imán permanente. Tales metales, que pueden ser imanados permanentemente, se llaman ferromagnéticos. Los átomos de hierro en la magnetita fueron alineados así, aparentemente por el campo magnético de la Tierra, cuando este mineral se estaba cristalizando.
Mientras más grandes son los grupos que están alineados con el campo, y más pequeños los que están orientados al azar, más poderoso será el imán permanente que resulta. Los científicos han averiguado que al aplicar calor o esfuerzo al metal mientras éste está dentro de un poderoso campo magnético, se puede alinear permanentemente el número máximo de grupos atómicos. De esta manera, se pueden producir económicamente imanes permanentes de gran fuerza.
Magnetismo celeste
Como se mencionó antes, la Tierra misma es un gran imán. ¿Qué produce el campo magnético de este planeta? Algunos creyeron que éste era producido por los minerales magnéticos naturales que se encuentran en el interior de la Tierra. En otras palabras, consideraban que la Tierra era un gigantesco imán permanente. Pero en tiempos más recientes se ha aprendido que la elevadísima temperatura interior de la Tierra excluye esa posibilidad.
Hoy día la explicación que más se acepta es que el campo magnético de nuestro globo terrestre es el producto de las corrientes eléctricas en el núcleo de la Tierra, las cuales de alguna manera están relacionadas con la revolución de la Tierra sobre su eje. También hay evidencia de que otros planetas son magnéticos. Júpiter, en particular, tiene un campo mucho más fuerte que el de la Tierra. Y el Sol mismo tiene un campo magnético extremadamente poderoso. Hasta la Vía Láctea, la galaxia que incluye nuestro Sol y otras cien mil millones de estrellas, da evidencia de tener un campo magnético.
Los científicos apenas están comenzando a entender el papel del campo magnético de la Tierra como protector de la vida. Un ejemplo de esto puede verse en conexión con las violentas tempestades magnéticas que se desatan en la superficie de nuestro Sol (conocidas como “manchas solares”). Las gigantescas regiones de campos magnéticos concentrados en la caliente atmósfera solar abarcan zonas más grandes que la Tierra y tienen campos magnéticos que son miles de veces más poderosos que el de nuestro planeta. El Sol continuamente lanza al espacio corrientes de partículas de carga eléctrica, a las cuales se les llama “viento solar.” Este viento sería devastador a la vida terrestre, pero nuestro campo magnético atrapa las partículas solares en el espacio antes de que éstas lleguen a la atmósfera. Curva sus trayectorias en forma de espiral a lo largo de las líneas de fuerza magnética y las encauza a través de la atmósfera en las regiones polares del norte y el sur. Aún así, cuando hay una fuerte tormenta magnética en el Sol, podemos esperar poco después una tormenta geomagnética que perturba la transmisión de radio, el radar, y hasta la distribución de energía. Esto también produce las grandes ‘exhibiciones de fuegos artificiales’ que conocemos como la aurora boreal y aurora austral.
El campo magnético de la Tierra también contribuye a protegernos de los rayos cósmicos más dañinos, desviándolos a las latitudes polares. Es probable que aún no comprendamos a cabalidad de cuántas maneras nos beneficia este “cojín” magnético. Pero se está haciendo evidente que el magnetismo de nuestro planeta desempeña un papel clave en la protección de la vida.
Electricidad y magnetismo
La habilidad del magnetismo para servir a la humanidad especialmente yace en su relación con la electricidad. Recuerde que la diminuta corriente eléctrica dentro del átomo es lo que ocasiona el magnetismo en primer lugar. De hecho, el magnetismo y la electricidad están tan estrechamente relacionados que cada uno de ellos ocasiona el otro. ¿Cómo es eso?
Una corriente eléctrica al atravesar un alambre lo magnetiza o imana. No, el alambre no atrae a otros metales debido a que el campo magnético envuelve al alambre en un patrón circular, y carece de polos definidos. Pero si se enrolla el alambre en forma de espiral tal como se enrolla un hilo en un carrete, el campo magnético alrededor de cada espiral amplifica el de su vecino, lo cual resulta en un gran campo magnético. Mientras más numerosas sean las curvas o espirales del alambre, más poderoso es el imán que se produce. Este imán se puede accionar o desaccionar sencillamente por medio de dejar pasar o cortar el paso de la corriente eléctrica. Si no hay corriente, no hay campo magnético. Esta clase de imán se conoce como electroimán.
Un ejemplo sencillo de un electroimán en acción es el timbre de llamada común. Cuando uno aprieta el botón, la corriente atraviesa un electroimán, que atrae un pedazo de metal que gira sobre una bisagra. En su movimiento hacia el electroimán, el metal golpea un juego de campanas. Al soltar el botón, el electroimán libera el metal, y a medida que éste retrocede a su posición original, golpea otro juego de campanas, produciendo así el familiar “din-dán.” De esta manera, y a veces de maneras más complejas, los imanes y electroimanes están en el centro mismo de la mayoría de los electrodomésticos.
Los motores eléctricos se basan en el electroimán. Declarado sencillamente, los electroimanes dispuestos en círculo se accionan y desaccionan a intervalos de tiempo precisos, y las propiedades de atracción/repulsión de los imanes hacen girar un inducido en el interior del círculo. Así, estos motores eléctricos de diferentes potencias hacen muchas tareas por nosotros, desde mover las manecillas de nuestros relojes hasta impulsar pesados trenes de pasajeros a grandes velocidades.
Los interruptores, relevadores, solenoides, medidores, calibradores y muchos otros instrumentos de la industria eléctrica se basan en esta sencilla relación entre la electricidad y el magnetismo. ¡Pues, es debido al magnetismo que es posible transmitir el sonido de su voz a través de los alambres telefónicos hasta las personas a quienes usted ama, y entonces le permite a usted oír las voces de ellas en respuesta! Los electroimanes dentro de los altavoces de su radio, televisor o equipo estereofónico convierten en sonido los impulsos eléctricos, y reproducen los sonidos originales con asombrosa fidelidad. Sí, el magnetismo hace posible que usted grabe las primeras palabras de su hijo, o el primer solo de violín de su hija, y vuelva a vivir esos preciosos momentos años más tarde.
Es un haz de electrones enfocado precisamente por campos magnéticos lo que produce la imagen en la pantalla de su televisor. Este mismo enfoque de los haces de electrones por medio del magnetismo permite a los científicos escudriñar el mundo de las cosas infinitesimalmente pequeñas por medio de los microscopios electrónicos.
La relación de la electricidad con el magnetismo funciona de manera inversa también. Los generadores que producen electricidad dependen del magnetismo. Se disponen poderosos imanes en un círculo, y las turbinas impulsadas por vapor o agua hacen girar bobinas de alambre a través de estos poderosos campos magnéticos Este movimiento de los alambres produce una corriente eléctrica dentro del alambre. Entonces esta corriente se transforma a un voltaje apropiado y se pasa a nuestros hogares.
No sería una exageración decir que la entera industria eléctrica no existiría hoy día si no fuera por ese poderoso siervo del hombre al que llamamos magnetismo.
Magníficas posibilidades
Todavía hay muchas cosas que aprender acerca del magnetismo, y mientras más aprenden los científicos acerca de su poder, más usos le encuentran. Por ejemplo, una nueva tecnología llamada magnetohidrodinámica (MHD) promete abaratar el costo actual de la generación de electricidad. Actualmente la mayoría de las ciudades grandes usan turbinas de vapor para accionar sus generadores, y quemen combustibles fósiles como el carbón para producir el vapor. Sin embargo, por medio de MHD, sería posible producir electricidad, no solo en el generador, sino también en las chimeneas. ¿Cómo? Bueno, al encauzar los gases calientes que resultan de quemar el carbón a través de un campo magnético, se produce una corriente eléctrica. Este revolucionario nuevo sistema puede convertir la energía del carbón en electricidad, y hacerlo con mayor eficacia que cualquier otro sistema. Algunos investigadores dicen que el aumento en la electricidad que se obtiene de una tonelada de carbón por medio de MHD es de hasta 50 por ciento. También se ha propuesto MHD como un método de extraer la energía de ciertos tipos de reactores atómicos.
En el campo de la transportación se están haciendo progresos en desarrollar trenes que “vuelan” sobre vías especiales por medio de la “levitación magnética.” Electroimanes colocados en el tren y en la base de las vías hacen que el tren flote a unos 30 centímetros por sobre los rieles de guía, y entonces lo impulsan a sorprendentes velocidades. Las pruebas que se han efectuado en Alemania y Japón indican que esos trenes transportarán pasajeros a velocidades de hasta 300 kilómetros por hora. Los sistemas de transportación de alta velocidad basados en la levitación magnética tienen ventajas tanto económicas como ambientales sobre otros sistemas. Por ejemplo, no tienen partes movibles que se desgasten, se consumen menores cantidades de energía, no contaminan el ambiente y son de funcionamiento silencioso.
El hombre apenas está comenzando a ‘tocar la superficie’ en su busca de más usos del magnetismo. El aumento de conocimiento acerca de un poder tan dinámico dentro de nuestro universo bien puede hacernos meditar en el poder de Jehová Dios, el Creador de tales fuerzas. Él es ‘abundante en energía dinámica y vigoroso en poder,’ y ha originado el magnetismo... ¡ese poderoso siervo del hombre!—Sal. 147:5; Isa. 40:26.
[Ilustración de la página 21]
Se están desarrollando trenes de alta velocidad que “vuelan” sobre vías especiales por medio de “levitación magnética”
[Ilustraciones de la página 19]
En los metales no magnetizados, los pequeños grupos atómicos están dispuestos con sus polos magnéticos situados al azar
Cuando están magnetizados, los grupos atómicos vuelven a alinearse a fin de estar paralelos los unos a los otros
[Ilustraciones de la página 20]
El campo magnético que rodea a un alambre por el que pasa la corriente eléctrica tiene forma de rosca y no tiene polos definidos
Cuando el alambre está arrollado, la corriente eléctrica en su interior produce un electroimán con polos magnéticos definidos