El magnetismo es sin duda la fuerza cotidiana que más nos impacta.
Sí, escribo esto sentado en mi escritorio con mi culo pegado a la silla gracias a los seis cuatrillones de kilogramos de masa terrestre que me mantienen ahí.
Y sí, ya sé que todo lo que me rodea y me hace la vida más fácil funciona gracias a la electricidad. Y aunque no viviéramos en esta sociedad tecnológica, sin duda los efectos eléctricos son también palpables (que le pregunten a Roy Sullivan si no –ahora vas y lo googleas-).
Pero acercar dos imanes por el mismo polo y que una fuerza invisible los repela es algo que no tiene parangón.
¿Cómo funcionan los imanes y de dónde sale esa misteriosa fuerza a distancia?
Todo son fuerzas a distancia
Me gustaría primero hacer una pequeña aclaración al hype inicial. En cierto sentido, todas las fuerzas que experimentamos son a distancia.
No hay contacto real entre mi ya citado culo y la silla. No hay contacto entre los labios de dos personas que se besan. Los átomos tienen electrones en su capa más externa, y estos se repelen entre sí con una fuerza que tiende a infinito si la distancia tiende a cero. Por tanto el contacto, tal y como lo imaginamos, no existe.
O mejor dicho, lo que cotidianamente llamamos “tocar” es simple repulsión electromagnética (le dediqué una entrada al tema).
Pero mientras que nuestros ojos nos engañan y nos hacen creer que existen las fuerzas de contacto, verdaderamente vemos que entre dos imanes que se repelen no hay nada que los conecte. Y eso es lo que los hace tan misteriosos a la mente humana.
Aun así, esa fuerza invisible es, de las mencionadas, la más sencilla de evidenciar en nuestro día a día. Basta con esparcir virutas de hierro sobre un papel poniendo debajo un imán para ver que se forma un patrón de líneas que, cual tinta arrojada sobre el hombre invisible, revela la existencia del campo magnético:
La pregunta que todos nos hacemos es: ¿cómo funcionan los imanes? ¿Por qué se atraen o repelen?
El problema es que las respuestas en física nunca son gratis. Nos hacemos esta pregunta porque los imanes nos resultan intrigantes, pero si me preguntaras: “¿cómo funciona la gravedad?”, o “¿por qué las cargas eléctricas se atraen o repelen?”, tampoco te podrían contestar. Debemos dar por hechos ciertos comportamientos sobre los que construir nuestro edificio de la física, al igual que en matemáticas se deriva todo a partir de ciertos postulados. Lo ideal sería necesitar los mínimos posibles, eso sí.
Aquí lo que haremos será intentar “naturalizar” el comportamiento de los imanes partiendo de la base de algunos hechos experimentales, e intentaremos ver si podemos por el camino reducirlos al mínimo.
Las corrientes eléctricas crean campos magnéticos
Corría el año 1820 cuando el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que la circulación de una corriente eléctrica a través de un cable hacía que se desviará la aguja de una brújula cercana.
Esto implicaba que un fenómeno eléctrico (movimiento de cargas debido a una diferencia de potencial) era el responsable de un fenómeno magnético (desviar una aguja magnetizada). Es decir, que el campo magnético se crea cuando cargas eléctricas se mueven.
Aquí te deberían saltar todas las alarmas: ¿cómo que el campo magnético depende de que las cargas se muevan? Sabemos desde Galileo que la velocidad es relativa, ¿significa eso que no todos los observadores verán campo magnético?
Pues… sí. Y ahí estará el segundo paso que nos hará “naturalizar” aún más el magnetismo. De momento sigamos construyendo nuestro edificio dando por hecho esta ley empírica.
Para saber cómo es el campo creado por una corriente eléctrica utilizaremos la ley de Biot-Savart. En nuestros razonamientos solo nos interesa el sentido del campo creado, así que usaremos la regla de la mano derecha, que nos permite averiguar el sentido del producto (vectorial) entre dos vectores sin realizar las cuentas. Envolvemos la corriente (el trozo de cable en cuestión) con la mano cerrada de manera que nuestro pulgar apunte en la dirección en la que la corriente fluye. En tal caso, en un punto dado el campo será tangente a un círculo concéntrico al conductor y su sentido será el que nos digan nuestros dedos.
Es más fácil verlo con un dibujo:
Estamos interesados en un tipo de corriente particular: aquella en la que el circuito se cierra sobre sí mismo. Ese tipo de corrientes se denominan espiras de corriente. Si aplicamos la ley de Biot-Savart a una espira de corriente nos queda un campo magnético tal que así:
¿No te recuerda mucho a las líneas de campo magnético de las virutas de hierro sobre el imán permanente? Veamos un diagrama del campo magnético creado por un imán permanente para ver más claro el parecido:
Si te fijas, en un imán las líneas de campo magnético parecen “salir” del polo Norte y “entrar” por el polo Sur. Digo “parecen”, porque realmente ni salen ni entran: son líneas cerradas sin principio ni final (esto quiere decir que no existen los monopolos magnéticos –que se sepa-).
Lo diré de otra manera: llamamos polo norte de un imán al lugar del que parecen salir las líneas de campo y polo sur al lugar al que parecen entrar. Pero eso significa que nuestra espira de corriente también es un imán (un electroimán), con su “polo norte” y su “polo sur”, aunque no lo parezca.
Tras todo esto, te quejarás de la clase de física que te he encasquetado sin a priori merecértelo ni venir buscándola. Pero realmente tiene todo el sentido del mundo.
Si las corrientes eléctricas crean campos magnéticos iguales que los de un imán, quizá el origen del campo magnético del imán lo tenemos que buscar en las corrientes eléctricas.
¿En cuáles?
Pues en las atómicas.
Recuerda que los átomos tienen un núcleo de protones y neutrones y un enjambre de electrones que lo orbitan. Esos electrones orbitando juegan el papel de pequeñas espiras de corriente que crean campos magnéticos atómicos.
Con esto, ya podemos imaginar a un átomo como un pequeño imán, cuyo magnetismo proviene del movimiento de sus electrones (aunque más adelante lo matizaremos) y cuyo polo norte y polo sur dependerá del sentido de giro de estos electrones y lo podemos averiguar usando la regla de la mano derecha.
Ya podemos vislumbrar de dónde proviene el magnetismo de la materia. Ahora bien, seguimos sin entender por qué los polos iguales se repelen y opuestos se atraen.
Para eso tenemos que entender el efecto del magnetismo en las cargas eléctricas en movimiento.
Fuerza de Lorentz
Sé que esto suena a trampa. Vamos a hablar ahora de cómo un campo magnético afecta a una partícula cargada pero te he dicho que el campo magnético en primer lugar lo crea una partícula cargada en movimiento. Demos por hecho de momento que está ahí y ya volveremos a su origen.
Cuando una partícula cargada entra en una región con un campo magnético 
a una velocidad 
siente una fuerza magnética 
conocida como fuerza de Lorentz. Para el lector con inclinación matemática, esta fuerza tiene la siguiente expresión:
![\[ \vec{F}_m=q \vec{v}\times \vec{B} \]](https://fisicatabu.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f1c41efd03a423098e74fbf83e4cccd5_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Es muy interesante notar varias cosas:
- No todas las partículas que penetren en un campo magnético sentirán fuerza magnética. Es necesario tener una carga
no nula (por ejemplo, los neutrones no se desvían en un campo magnético). - No todas las partículas cargadas sentirán fuerza en un campo magnético. Es necesario moverse con cierta velocidad (de hecho, hace falta incluso que la velocidad y el campo no sean paralelos, pues en tal caso tampoco sentirían fuerza).
Esto segundo hecho te tendría que hacer saltar de nuevo todas las alarmas: ¿cómo que la fuerza depende de la velocidad de la carga? ¿Ya estamos de nuevo?
Va, dadme un respiro, que ya volveremos a ello.
Que partículas cargadas en movimiento sientan fuerza en un campo magnético es equivalente a que toda una corriente la sienta, ya que no es más que un conjunto de cargas en movimiento. Como la intensidad 
de una corriente está relacionada con la cantidad de cargas que circulan por segundo 
, pasamos de la ley de Lorentz a esta otra:
![\[ \vec{F}_m=I \vec{L}\times \vec{B} \]](https://fisicatabu.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-26fec9f9ee3b729726b8624819fcac53_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
donde el vector 
representa la longitud del tramo de corriente que estamos estudiando y su sentido se coge para que coincida con el de la corriente (que por una casualidad histórica, es el contrario al que se mueven los electrones –culpad a Benjamin Franklin, no a mí-).
Podemos ver cómo se aplica la fórmula anterior para ir familiarizándonos con ella con una corriente rectilínea en un campo magnético uniforme:
Si multiplicamos el vector longitud, que coincide en sentido y dirección con la intensidad, por el vector de campo magnético (que en el dibujo entra al papel al estar representado con aspas), la fuerza tiene el sentido representado en la imagen superior. Para averiguarlo, aplicamos de nuevo la regla de la mano derecha: tienes que coger la palma de tu mano en el sentido que apunta la corriente y rotar hacia el campo magnético por el camino más corto (lo que te obligará a orientarla como apoyándola sobre la pantalla). El sentido al que apunte tu pulgar haciendo dicho gesto será el sentido de la fuerza magnética.
Para entender cómo dos imanes se repelen, vamos a sustituir uno de ellos por una espira equivalente y aplicar la fórmula anterior.
El primer problema que nos encontramos, y seguro que si has estudiado algún curso de física ya te lo han explicado, es que la fuerza total sobre una espira de corriente en un campo magnético uniforme es… cero.
Un campo magnético uniforme solo obliga a la espira a rotar, no la desplaza. De hecho, en esto se basan los motores eléctricos.
Ahora bien, un imán no crea un campo uniforme, como ya hemos visto en imágenes anteriores. Esa pequeña diferencia es la que permite que nuestra espira de corriente, enfrentada a un imán, sienta una fuerza no nula que la desplace.
Por ejemplo, para entender cómo los polos del mismo tipo se repelen, ponemos nuestro imán con el polo norte enfrentado a una espira con la corriente circulando de manera que cree un electroimán cuyo polo norte también quede enfrentado al del imán:
Si aplicamos lo visto hasta ahora para estudiar la fuerza que el imán ejerce sobre la espira, veremos que sobre cada tramo de corriente de la misma se crea una fuerza 
que tiene una componente que obliga al imán a alejarse. Cuando las sumamos todas, la fuerza neta es el vector azul grande, que muestra que el imán repele a una espira que simule ser un imán con polos iguales enfrentados.
Ya hemos demostrado la repulsión entre polos iguales.
De igual forma, puedes probar a dibujar una espira de corriente circulando en el otro sentido, simulando enfrentar polos opuestos al imán, y verás como la fuerza neta es atractiva y la espira se acercaría al imán.
La gracia es que este argumento también sucede al contrario: nuestra espira de corriente crea un campo que atrae/repele al imán permanente ya que afecta a sus cargas atómicas en movimiento.
Finalmente, si nos olvidamos de la espira y situamos dos imanes permanentes, ocurre lo mismo pues, como hemos visto, un imán y una espira tienen el mismo campo magnético (ya que en ambos proviene de cargas en movimiento).
Con esto hemos entendido por qué los imanes se atraen/repelen con fuerzas a distancia.
Pero no sé si te habré ayudado a “naturalizar” este hecho, ya que por el camino te han podido surgir dos dudas:
- ¿Cómo es que el campo magnético, o la fuerza que sienten las cargas en uno, depende de la velocidad de estas? ¿No viola eso el principio de relatividad? Y,
- ¿Cómo es que el movimiento de los electrones en los átomos es lo que crea el campo magnético a nivel atómico si yo ya he estudiado en algún momento que los átomos no son como «mini sistemas planetarios»?
Como esto es Física Tabú, no me sentiría feliz si no os diera al menos unas pinceladas sobre estas cuestiones (luego me quejo de que hago entradas largas que no se leen ni dios, pero yo soy feliz haciéndolas).
Vamos a ello.
El origen relativista del campo magnético
Cuando uno estudia las ecuaciones de la fuerza con la que se atraen dos masas y la fuerza con la que se atraen (o repelen) dos cargas siente como si el universo se estuviera copiando a sí mismo.
Pero mientras que la gravitación newtoniana es una teoría con fuerzas a distancia que no cumple el principio de relatividad einsteniana, la teoría electromagnética, condensada en las ecuaciones de Maxwell, es totalmente relativista.
Es decir, las interacciones eléctricas y magnéticas se propagan a una velocidad finita (la de la luz). Y en cierto sentido, cumplen transformaciones similares a las de Lorentz para el tiempo y el espacio.
Veámoslo con un ejemplo.
Imagina un conductor rectilíneo por el cual circula corriente y un electrón que discurre paralelo al mismo en el sentido opuesto a la corriente (es decir, en el mismo sentido que el movimiento de los electrones dentro del conductor –de nuevo, culpa a Benjamin Franklin, no a mí-), supongamos por simplicidad que a la misma velocidad.
Desde el sistema de referencia del laboratorio, la corriente crea un campo magnético en virtud de la ley de Biot-Savart que ejerce una fuerza magnética atractiva sobre el electrón. Según el principio de relatividad, no existe ningún experimento que nos permita distinguir si un observador se encuentra en reposo o a velocidad uniforme. Pero resulta que, si un observador se moviera con la misma velocidad que los electrones (del cable y el externo), este aseguraría que no se mueven en absoluto y por tanto no debería describir ninguna fuerza magnética sobre el electrón.
¡Pero el caso es que vería que el electrón se acerca al cable!
¿Cómo resolvemos la paradoja? Es necesaria la relatividad especial.
Fijémonos que el observador en reposo en el laboratorio ve el cable neutro, pero el que está en movimiento no. Desde el punto de vista del observador que se mueve con los electrones, el conductor rectilíneo deja de ser neutro. Para nuestro observador que se mueve con el electrón, los iones metálicos positivos del cable se mueven en dirección contraria y sufren una contracción longitudinal de sus distancias (debido a las transformaciones relativistas de Lorentz). Esto hace que la densidad de carga positiva y la negativa no se cancelen, el cable deje de ser neutro, y ejerza una fuerza eléctrica atractiva sobre el electrón (vía ley de Coulomb).
Por tanto, lo que en un sistema de referencia es un campo magnético en otro puede ser uno eléctrico y viceversa (de hecho, es una combinación de ambos).
Podéis ver un vídeo de Veritasium al respecto (al estar animado quizá se vea más claro), o si os veis con fuerzas, leer el análisis matemático de este fenómeno en los apuntes de relatividad general de Bert Janssen.
El resumen es que el electromagnetismo es relativista, y el verdadero origen del campo magnético es el eléctrico… y viceversa, ya que son dos caras de la misma moneda y con la relatividad especial terminamos de entender que son parte de un mismo ente: el tensor de Faraday.
El origen mecanocuántico del campo magnético
Finalmente, me gustaría aclarar una cosa, y es que…
SIN FÍSICA CUÁNTICA NO HABRÍA MAGNETISMO.
Como ya hemos visto, el campo magnético puede surgir de una transformación del campo eléctrico, y los electrones en los átomos en movimiento crearían campos magnéticos. Pero, realmente, en un átomo hay tantos electrones que sus espiras de corriente se cancelan unas con otras y el movimiento orbital apenas contribuye al campo total de un átomo.
El verdadero origen del campo magnético de los átomos es que los electrones en sí se comportan como “mini imanes” debido a una propiedad cuántica (y relativista a la vez): el espín.
Sí, esa magnitud cuántica sin análogo clásico que solo se puede entender con un curso de teoría cuántica de campos y otro de teoría de grupos.
Algún día me pondré a ello, revisaré mis apuntes de carrera, me leeré algún que otro libro y me armaré de valor para dedicar una entrada al concepto de espín.
Pero entre tanto, tendréis que quedaros con mi palabra (o la de cualquier libro de texto de física si lo miráis). El espín se comporta como un momento magnético intrínseco, lo que hace que los electrones (y el resto de partículas con espín –lo que incluye al neutrón, pese a no tener carga neta!-) creen un campo magnético en sus inmediaciones.
Cuando los niveles atómicos se van ocupando de electrones, los espines se cancelan entre sí, dando un campo magnético muy leve. Pero mientras los niveles estén semillenos (o cerca de estarlo), los espines se encontrarán desapareados (es decir, todos apuntando en la misma dirección) y sus campos magnéticos se reforzarán. Este es el caso de los átomos que se encuentran en mitad de los metales de transición, como el manganeso o el hierro.
Aquí podríamos ahondar mucho más, hablando de cómo se pasa del magnetismo a nivel atómico al magnetismo macroscópico (obteniendo materiales diamagnéticos, paramagnéticos o ferromagnéticos), pero creo que con esta entrada he logrado mi objetivo: que entendamos de dónde surge el magnetismo y porqué los imanes se ejercen esa fuerza a distancia que tanto nos fascina.
Simple: FELICITACIONES REITERADAS. SALUD, SALUDOS Y GRACIAS POR ESTA NUEVA ENTRADA.
Gracias Carlos =)
Tengo una duda: Si el magnetismo depende de la configuración electrónica y de que los átomos tengan electrones desapareados, el N: 1s2 2s2 2p3 debería ser magnético.
¿Por qué no lo es?
Gracias y enhorabuena por el artículo.
Buenas Rafael. Lo primero, gracias por leerlo. Sobre tu duda, es una muy razonable. Por no meterme en berenjenales, he querido mencionar solo a los metales de transición, pero es como tú dices: todos los átomos que se encuentren a mitad de un bloque (p, d ó f) cumplen lo necesario para ser magnéticos. La cosa es que el nitrógeno forma moléculas, y según la teoría de orbitales moleculares esto hace que sus electrones se encuentren apareados en forma molecular y por tanto la molécula sea diamagnética (a diferencia del oxígeno, que es paramagnético).
Un saludo!
Buenas Castelo, espero que te vaya bien 🙂
Me gusta leer tus entradas y de hecho la fisica de segundo de bachillerato me encanta. Te devuelvo un poco de feedback que se que siempre viene bien.
El ejercicio de la transformación de Lorentz está incompleto. En ambos casos tienes campo magnético en realidad y el cable estaría totalmente neutro si no hay corriente. Se que es un ejercicio con muchas sutilezas y ya has entrado en muchas sutilezas di per se en el blog. Pero bueno, queria comentarlo.
Luego la explicación de como los imanes se repelen. La fuerza total en el plano de la corriente efectivamente se cancela (quedando unicamente la fuerza de repulsión). Sin embargo, acabo de darme cuenta de que la fuerza en el plano de la corriente estruja el hilo (o la orbita del electrón) trantando de disminuir su radio. No estoy totalmente seguro de como se interpreta esto pero el campo magnético está cambiando la corriente de forma que cambia a su vez el campo creado por esta corriente. No se hasta donde llegar con esto pero me da la sensación de que la explicación de los imanes repeliendose “de gratis” esta explicando otro fenomeno.
Lo dejo aqui. Me alegra que sigas con tu blog!
Buenas Antonio, qué alegría leer un comentario tuyo! =)
En efecto, como dices, el análisis de la transformación de Lorentz de los campos está incompleto (como imaginas, por no entrar en más detalle). El campo puramente magnético para el observador en reposo respecto a los electrones se transforma en una combinación de campo eléctrico (al aumentar la densidad de carga positiva) y campo magnético (por la propia corriente de electrones) para el observador en movimiento. No me he querido detener en los detalles ya que al electrón solo le afecta el campo eléctrico visto desde el SR del observador en reposo relativo con este, ya que dicho observador no percibe movimiento del electrón (y por tanto no le afecta el campo magnético de los protones). Y como esta, aun se podría comentar alguna que otra sutileza más.
Sobre que la corriente se «estruje», imagino que para este ejercicio puramente de electromagnetismo clásico podemos asumir la espira indeformable, pero quizá a nivel de electrones sí implique alguna que otra sutileza. De hecho, me dejo en el tintero más leyes que influyen (como Faraday-Lenz, que hace que todos los átomos muestren diamagnetismo al oponerse a las variaciones de flujo a través de sus espiras de corriente).
Ya me dices qué opinas, y gracias por comentar, un abrazo =)
Grande Adrián, como siempre. Gracias!
Ya estoy esperando la siguiente entrada sobre cómo explicar el paso del magnetismo atómico al macroscópico.
Un abrazo
Gracias a ti por leerme, Roberto =)
Hola, siempre que se habla de imanes me surge la duda de donde «sale» la energía cuando un imán realiza un trabajo, por ejemplo cuando atrae un objeto de hierro. ¿Pierde masa el imán? ¿ se producen cambios fisico-quimicos en la estructura del imán? ¿ la energía realmente es del campo electromagnético, lo que implica una fuente energía infinita? ¿ si afecta a la estructura del imán, como es que «duran» tanto en los motores de continua y no se «gastan» con los años?.¿cambian los espines de lsa partículas del imán, perdiendo energia, entonces como, «saben» las particulsa del imán que hay un objeto férrico cerca? …. todo el mundo da por sentado lo del campo magnético pero aun no he encontrado una explicación física de donde «sale» la energía que realiza un trabajo cuando atrae un objeto férrico y como afecta eso a la composición de las partículas del imán.
Gracias por tu gran trabajo
Salu2
Buenas José, es una pregunta profunda la verdad. ¿Te importa si la rebajamos a un terreno que quizá, por ser más familiar, nos ayuda a razonar? Por ejemplo, podemos hacernos esta pregunta con cargas eléctricas (y no es demasiada trampa, ya que en esta entrada vemos que el campo magnético y el eléctrico son dos caras de la misma moneda y depende de a qué observador le preguntes).
Pensemos en dos cargas eléctricas de signo opuesto (luego se atraerán). Si las dejamos inicialmente en reposo a cierta distancia, unos instantes después dicha distancia se habrá acortado y ambas habrán acelerado. Al acercarse, la energía potencial entre ambas disminuirá, pero se convertirá en energía cinética. Aun así, es cierto que si tenemos en cuenta el electromagnetismo clásico, al acelerar radiarán ondas electromagnéticas, por lo que parte de la energía inicial se pierde. La cosa es: si con una carga eléctrica puedo hacer que otra se mueva, ¿tengo energía gratis? Realmente no, pues si quiero repetir el proceso, ¡necesitaré un agente externo que las vuelva a alejar!
En la naturaleza vemos dos tipos de procesos: aquellos espontáneos (que suelen coincidir con aquellos en los que el sistema acaba con menos energía de la que empezó) y aquellos que no. En los procesos espontáneos habrán conversiones de energía, pero la termodinámica nos enseña que si queremos sacar trabajo de ellos no podremos hacerlo eternamente igual de eficientemente, necesitaremos un agente externo que restaure la energía perdida.
Lo de que el imán «sabe» que hay un objeto cerca, realmente te lo podrías preguntar con cualquier fuerza («¿Cómo sabe la Luna que la Tierra está ahí, tirando de ella?»). Es por eso que el propio Isaac Newton creía que su teoría de la gravitación universal, basada en fuerzas a distancia, no podía satisfacer intelectualmente a nadie. No fue hasta Faraday que empezamos a aceptar que las fuerzas a distancia son una realidad (de hecho, todas las fuerzas son «a distancia»). Una partícula, por el mero hecho de poseer algún tipo de carga (gravitatoria, eléctrica, etc.) modifica las propiedades del espacio de manera que partículas con el mismo tipo de carga pueden sentir dicha modificación y responder de manera acorde. Si la Luna no estuviera, seguiría habiendo campo gravitatorio debido a la Tierra en todo el universo. Es solo que, al poner a la Luna ahí, como tiene masa (es decir, «carga gravitatoria»), puede sentirlo.
No sé si resuelvo tu duda, ya me dices.
Hola, muchas gracias por tu respuesta. En lo que refieres a la gravedad, realmente no es una fuerza, es la curvatura del espacio-tiempo, según las ecuaciones de la relatividad especial.
Respecto a la pregunta de donde sale la energía que mueve la pieza no me queda claro, ¿cambian los electrones del imán de spin cada vez que atraen una pieza metálica?
Experimento:
Un imán quieto en un plano, una máquina impulsa bolas de hierro de 1 gramo, con una trayectoria perpendicular al imán y pasan a unos centímetros del imán. Las bolas son desviadas unos milímetros atraídas por el imán, cuando pasan al lado del imán y siguen su trayectoria impulsadas por la máquina. Se realiza un trabajo, una acción, ya que la trayectoria de las bolas no es la de mínima acción si no estuviera el imán. Si esta máquina envía 10000 toneladas de bolas que cada una pesa un gramo … ¿de donde se ha transferido la energía que ha hecho el trabajo que ha desviado las bolas de su trayectoria de mínima acción?
¿ha cambiado la estuctura fisico-quimica del imán? ¿han cambiado los spines de los electrones del imán? ¿cómo? ¿con que partículas se ha comunicado , con fotones? ¿cuantas toneladas de bolas puede desviar el imán unos milímetros antes de que ya no sea un imán? , es decir ¿cuanta densidad de energía tiene el imán por cm 3?
Gracias
Salu2
Corrijo «En lo que refieres a la gravedad, realmente no es una fuerza, es la curvatura del espacio-tiempo, según las ecuaciones de la relatividad especial. » es la teoría Relatividad General, no especial.
Buenas,
he estado viendo vuestros comentarios y creo que puedo echar una mano. Adrian ya ha desglosado el porque dos imanes pueden sentir atracción / repulsión entre ellos. Cuando un trozo de hierro esta bajo un campo magnético este se imanta (debido a como se organizan los atomos dentro del hierro). Luego cuando un iman esta cerca de un trozo de hierro podemos considerar el caso de dos imanes que se atraen.
Ahora, de donde sale la energía que hace que ambos imanes se aceleren uno contra el otro? Los imanes no estan en reposo uno sobre el otro, tienen una velocidad. Esta velocidad hace que se generen campos electricos de acuerdo a la ley de Faraday. No te se decir la forma exacta que tomarían estos campos, no es algo trivial. Ahora, es posible que la energía venga del potencial electrico existente en la presencia de estos campos electricos que existen debido a la velocidad relativa entre los imanes. Existe el concepto de energía potencial magnética, que depende de la orientacion y distancia relativas entre imanes. Es la forma practica de cuantizar el intercambio energético de esta interacción. Si bien es verdad que los campos magnéticos no generan trabajo, cuando hay velocidad relativa se generan los campos electricos que pueden generar este trabajo.
Espero que quede algo mas claro.
Muchas gracias por tu respuesta, entiendo que si los imanes están en movimiento, si que se crean campos eléctricos que pueden derivar de la energía cinética de los imanes y por lo tanto la energía «saldria» del movimiento.
Pero en el experimento que propongo en mi comentario de un imán en reposo y bolas de hierro con una trayectoria ortogonal a un polo del imán que son desviadas por este, no existe una energía cinetica en el imán que pueda crear campos eléctricos, desconozco si la energía cinetica de las bolas en una dirección puede ser transformada por el imán en la dirección ortogonal de imán frenando o «cogiendo» energía de una dirección para «ponerla» en la ortogonal, suena un poco raro.
Salu2
Buenas de nuevo, José. Te contesto tu experimento mental con otro.
Pon un planeta quieto en el espacio vacío e imagina que, desde una distancia suficientemente lejana, proviene un chorro de asteroides en línea recta pero no en colisión directa con el planeta. Conforme se acerquen, se verán más y más atraídos por el planeta y su trayectoria rectilínea se desviará. A consecuencia de esto, el planeta se acercará a la línea que forma la hilera de asteroides, pues en dicho proceso (asteroides desviándose y planeta acercándose) se minimiza la energía potencial total del sistema. Pero tarde o temprano el planeta estará sobre dicha línea y los asteroides chocarán, por lo que perderemos nuestra «máquina de desviar asteroides».
¿Cómo podríamos hacer para que nuestra máquina funcionara durante más tiempo? Pues con un agente externo que impida que el planeta se acerque a la trayectoria de los asteroides. Pero hacer eso equivale a ejercer un trabajo sobre el sistema planeta-asteroides, de manera que nuestra máquina no puede darnos energía gratis, ya que, para que siga funcionando, tenemos que gastar energía en ella.
Observa que en ningún caso ha cambiado ninguna propiedad interna del planeta o los asteroides, simplemente siguen interactuando gravitatoriamente por el hecho de tener masa (bajo una visión newtoniana del asunto). Si bien, es cierto que las fuerzas de marea pueden hacer que tanto el planeta como los asteroides se calienten internamente.
Si ahora pasamos a tu experimento, puedes ver que la analogía es completa. El imán y las bolas de hierro interactúan por el hecho de tener dipolos magnéticos en su interior (que se deben a una mezcla de corrientes atómicas y espines). Cuando interactúen, se acercarán mutuamente, y hará falta una fuerza externa para que la «máquina de acercar bolas de hierro» funcione sin fin. Pero el «magnetismo no se gasta», de igual forma que la gravedad tampoco. Si bien es cierto que, al igual que te he hecho notar con el campo gravitatorio, las fricciones internas pueden elevar la temperatura del imán y el movimiento térmico hacer que los dominios reduzcan su tamaño, perdiendo intensidad el imán, pero se podrían volver a alinear con un campo magnético intenso.
Espero que esto resuelva tus dudas, un saludo.
Hola, muchas gracias por tu respuesta, tengo que meditarla.
Pero según tu analogía, si ponemos en una superficie un imán digamos que con aceite sobre la superficie (mínimo rozamiento) y un «chorro» de bolitas ferromagnéticas pasando ortogonalmente a su lado sin tocarlo pero desviándose debido a la atracción del imán.
Entonces… las bolitas ferromagnéticas, no serán atraídas únicamente por el imán, si no que… ¿se acercaran ambos cuerpos y se encontraran en la recta de la trayectoria que los separaba al cabo de un tiempo de interacción? es decir ¿el imán se mueve de su posición inicial?
Tendría que probarlo experimentalmente, pero me suena raro. Aún así, se realiza un trabajo sobre ambos objetos por lo que, la energía que se aporta a ese trabajo debería drenarse de otro sistema.
Otro experimento: un imán colgado de un hilo dentro de una campana de vacío, un chorro de electrones pasa al lado de un polo ortogonalmente y son atraídos o repelidos dependiendo del polo al que se acerquen, la trayectoria de los electrones es modificada ¿el imán sera desviado de su posición por la interacción con el chorro de electrones y se acercará o alejará a la posición del chorro de electrones?
Gracias
Salu2
Otra duda respecto a los campos electromagnéticos.
Según Wikiperida un campo electromagnético es:
«Un campo electromagnético es un campo físico, de tipo tensorial, producido por aquellos elementos cargados eléctricamente, que afecta a partículas con carga eléctrica. » ….. «El campo puede verse como la combinación de un campo eléctrico y un campo magnético. El campo eléctrico es producido por cargas estacionarias y el campo magnético por cargas en movimiento (corrientes); estos dos se describen a menudo como las fuentes del campo. La forma en que las cargas y las corrientes interactúan con el campo electromagnético se describe mediante las ecuaciones de Maxwell y la ley de fuerza de Lorentz.2 «.
La duda es: si los fotones son ondas del campo electromagnético ¿porqué no les afecta ni el campo eléctrico ni el magnético estáticos? por ejemplo un imán, si el campo electromagnético esta creado por partículas con carga, según la fuente de Wikipedia.
Gracias por tu gran trabajo
Salu2
Pues a ver, la respuesta más directa sin meternos en fregados matemáticos es que los fotones no tienen carga, y por tanto no pueden interactuar unos con otros. Los fotones (cuantos del campo electromagnético) solo interactúan con partículas cargadas (protones, electrones, etc.) Ellos no tienen, así que entre ellos «ni se ven».
Muchas gracias por tu respuesta.
Por lo que entiendo una partícula con carga crea el campo eléctrico y/o magnético ( si se mueve en el espacio).
Un fotón es únicamente una fluctuación del campo eléctrico-magnético y no posee carga.
Un flujo de fotones de una frecuencia dada puede crear fluctuaciones en una bobina (es la base de la recepción de la radio) y una antena con fuente de alimentación y modulador puede crear un flujo de fotones, es decir ondas electro-magnéticas.
Bien, si un fotón es una onda del campo electro-magnético y no le afecta las fluctuaciones generadas en el campo magnético y campo eléctrico por cargas.
Entonces como es que ellos, los fotones, si que pueden interactuar con campos eléctricos y magnéticos de bobinas y antenas de los receptores del ojo…. etc
Gracias
Saludos
Ampliación: Por lo que se, hay ondas electromagnéticas de radio (fotones) de frecuencias altas, que son rebotadas en la ionosfera de la tierra, lográndose así comunicación a larga distancia de radio.
Por lo que el campo electro-magnético de la ionosfera si que interactúa de alguna manera con los fotones que forman esas ondas electromagnéticas. O estoy hecho un lio :))
Gracias
Salu2
Tanto en este ejemplo como en el anterior (ondas electromagnéticas interactuando con antenas) los fotones NO interactúan con el campo electromagnético, sino con cargas. En bobinas y antenas con las propias cargas del metal (electrones libres) y en la ionosfera, como su propio nombre indica, con iones (átomos que han perdido electrones).
Un saludo.
Gracias por tu respuesta, tiene sentido.
Pero aparece la duda: una carga es parte de un campo eléctrico de hecho es la génesis del campo eléctrico ¿una carga eléctrica es el campo en si mismo, en potencia? aunque el campo eléctrico sea un objeto matemático es debido a las cargas presentes, por lo que carga y campo eléctrico no pueden ser separados como conceptos.
Puede que este razonamiento sea más dialéctico o filosófico que otra cosa. Siempre preguntando :))
Gracias por la paciencia
Salu2
Buenas José. De hecho, sí pueden ser separados. Al menos a un nivel matemático. Tanto las ecuaciones de Einstein para el campo gravitatorio como las de Maxwell para el campo electromagnético aceptan soluciones sin masas ni cargas presentes, respectivamente. En el caso del campo gravitatorio encontramos los agujeros negros y las ondas gravitatorias, por ejemplo, y en el del electromagnético las propias ondas electromagnéticas. Eso no quita que cuando intentamos dar sentido físico a dichas soluciones veamos que su génesis se debe a las cargas que crean el campo (masa/flujos de momento-energía en el campo gravitatorio y carga eléctrica en el electromagnético).
Muchas gracias por tu respuesta , cada dia me asombra y apasiona más la física y las matematicas que la acompañan. Sobre todo las cuestiones que aparecen cuando se va profundizando en cuestiones que parecen obvias en el mundo cotidiano. Muy interesante lo que apuntas. Lo tengo que investigar!! 🙂
Salu2
Otra duda: «El origen relativista del campo magnético»
La explicación del blog y el video tienen una explicación para el magnetismo relativista para el caso de un conductor en el que discurren cargas eléctricas desde una fuente, es decir un electro-imán.
Pero no se entiende para un material que actúa como un imán sin más , para un observador que lo percibe en reposo en un sistema inercial. En este caso no hay cargas eléctricas fluyendo por el conductor, desde una fuente, como seria el caso de un electro-imán.
En este caso las cargas están en reposo y solamente se aprecia un campo magnético. Y el magnetismo que se observa no puede estar creado por la diferencia de velocidad relativista de las cargas en el material como apunta el video ya que no discurren cargas por el mismo.
Gracias
Salu2
Entonces tendríamos dos explicaciones del origen del campo magnético :
1. de origen cuántico del spin de los electrones que se personificaría en los imanes permanentes, a través del spin de los electrones de los últimos orbitales de los átomos del material ferromagnético
2. y otro magnetismo de origen relativista al moverse las cargas en un conductor que serian los electro-imanes,
Pero… ¿se podría aplicar el Tensor de campo electromagnético a un imán permanente cuando no existen cargas en movimiento?
Mar de dudas con los imanes :))
Gracias y salu2
Ya dejo el foro , por pesado :))
Siempre medito antes de ir a dormir y aparecen dudas, tendré que acabar estudiando física, gracias por la paciencia.
La última:
Suponiendo que cuando un imán atrae un cuerpo ferromagnético, tiene algún tipo de cambio físico-químico en su interior y cede energía. Esta energía cedida, se convertirá en energía cinética en el cuerpo ferromagnético variando su trayectoria inicial de mínima acción.
La energía cedida por el imán, de alguna manera debe estar relacionada con los espines de los electrones que componen el imán ya que son los que le confieren su comportamiento magnético.
Entonces Cuando el imán interactúa con un objeto ferromagnético variando su trayectoria y cediendo energía de alguna manera. Existe un estado superior de entropía en los electrones del imán al haber cedido energía. De lo que se deduce que existen configuraciones de mayor energía en la disposición de los espines o de las posiciones de los electrones del imán antes de esa acción… y eso, creo, que contradice algunos principios cuánticos ya que la función de onda del electrón es estadística y no especifica un estado de mayor energía de un electrón respecto a otro, dependiendo de su posición o estado de espín.
Gracias
Salu2
En un metal la ultima capa de electrones no está fija. Los electrones de valencia de los metales son electrones libres que están deslocalizados formando una nube.
Por lo que los «mini-imanes» de los espines se deben anular unos a otros y no pueden crear un campo magnético macroscópico fijo en una dirección ya que están deslocalizados.
La única explicación que se me ocurre para explicar el magnetismo de un imán fijo, es que los electrones de valencia que crean una nube, al «moverse» en una dirección más que en otra, producen una corriente neta y por ende aparece el campo electromagnético. La dirección de la corriente definirá los polos del imán. Y poco a poco cuando ese campo magnético interactua con otros objetos la corriente interna pierde energía, entropía, el «orden» de los electrones moviéndose en la misma dirección va desapareciendo y el campo magnético disminuye.
Puede que esté totalmente equivocado, pero la explicación de los espines ordenados creando un imán macroscópico para mi no tiene sentido en una nube de electrones de valencia de enlaces metálicos.
Puede que por eso cuando le das una descarga bestia a un imán de una manera controlada es cuando se crea un imán permanente, puede que esa descarga «ordene» una dirección de movimiento a la nube de electrones creando una corriente y el imán permanente aparece, por otro lado cuando calientas un imán lo suficiente pierde el magnetismo, al dar energía a lo bestia creas desorden en la corriente… Quedaría entender como se «entera» el imán de que hay un fierro cerca… ¿fotones virtuales? Teoría cuántica de campos? y también como se crea el magnetismo a partir de la teoría de la relatividad … pero ya paro :)) …
En el ejemplo de las bolas, cuando son de acero inoxidable no hay repulsión ni atracción, me puedes explicar como el acero inoxidable neutraliza los campos magnéticos ? He colocado dos imanes enfrentados encima de una placa transparente y enfrentando los polos de un mismo signo a una distancia donde su radio de acción deja de interactuar comprobado con virutas de metal férrico dicho limite, las bolas en este caso de hierro, al pasar por el espacio central experimentan una ligerísima retención, me lo podrías explicar