De La Brujula Al Spin

PREFACIO

El electromagnetismo es uno de los pilares más importantes de la ciencia y la tecnología modernas. No es posible separar el magnetismo de su relación con la electricidad, y el cúmulo de conocimientos en ambas áreas es enorme. Ante la imposibilidad de ofrecer una visión a la vez completa y profunda de tan vasto tema, hemos escogido presentar una visión panorámica.

Expondremos las bases tanto macroscópicas como microscópicas de la teoría, algunas aplicaciones del magnetismo, así como una revisión histórica de su desarrollo. Es difícil concebir el efecto que sobre la tecnología ha tenido el electromagnetismo y cómo los avances logrados han incidido e inciden en nuestra vida cotidiana. Es por eso que consideramos fundamental que el público en general, sobre todo la gente joven, conozca las teorías que explican el funcionamiento de muchos de los aparatos e instrumentos que usa continuamente.

Esperamos que este libro despierte el interés de los que lo lean y los incite a profundizar más en el estudio del magnetismo. Hay que añadir que esta ciencia es una rama de la física no terminada aún, sino que se encuentra en plena expansión, y que aunque se ha recorrido un largo camino desde que el hombre empezó a usar la brújula, todavía quedan muchas interrogantes.

JULIA TAGÜEÑA ESTEBAN MARTINA

Ciudad Universitaria, mayo de 1986

I. ASPECTOS HISTÓRICOS: ORÍGENES Y DESARROLLO DE LA TEORÍA DEL MAGNETISMO

INTRODUCCIÓN:

LA ANTIGUA CIENCIA DEL MAGNETISMO

ELECTRICIDAD y magnetismo son aspectos diferentes de un mismo fenómeno. Cuando el científico medita sobre las propiedades y el movimiento de las cargas eléctricas, ambos fenómenos aparecen en forma conjunta. Sin embargo, la íntima relación entre electricidad y magnetismo sólo se comenzó a estudiar en forma sistemática a partir del siglo pasado, y aún ahora el lego en la materia piensa que estos fenómenos no tienen nada que ver entre sí, a pesar de que vive rodeado de aparatos que muestran esta interrelación. Esto explica el desarrollo del magnetismo como ciencia, ya que en la Antigüedad y hasta el siglo XVIII se estudiaba el magnetismo de manera independiente, es decir, sin tomar en cuenta a la electricidad.

Fueron probablemente los griegos quienes primero reflexionaron sobre las maravillosas propiedades de la magnetita, un mineral de hierro que incluso en estado natural posee una profunda atracción por el hierro. De hecho, Tales de Mileto alrededor del 600 a.C. ya habla del imán en forma detallada. Esto no excluye que éste ya se conociese en el resto del mundo. Por otra parte, Platón (428-348 a.C.) en su diálogo Ión hace decir a Sócrates que la magnetita no sólo atrae anillos de hierro, sino que les imparte un poder similar para atraer a otros anillos. De esta manera se forman cadenas de anillos colgados unos con respecto a otros. Estos son los llamados anillos de Samotracia, isla griega donde los mineros habían descubierto este fenómeno que en la actualidad llamamos magnetización por inducción. Diversas leyendas envuelven los orígenes del descubrimiento del magnetismo. De acuerdo con una de ellas, el pastor Magnes (de allí magnetismo) se quedó pegado a la tierra, ya que los clavos de sus zapatos fueron atraídos por la magnetita. Según otra versión, el nombre magnetismo viene de Magnesia, región de Grecia donde abunda el mineral. Otras leyendas nos hablan de estatuas de hierro suspendidas en el aire debido a su colocación en domos magnéticos.

Siendo los griegos un pueblo que se interesaba por la Naturaleza, no es de extrañar que surgieran teorías para explicar las maravillas del magnetismo. Sin embargo, no debe pensarse que el verbo explicar tenía el mismo sentido para ellos que para nosotros. Para los griegos explicar significaba encuadrar los fenómenos naturales dentro de un esquema filosófico preconcebido y no investigarlos para crear una teoría con poder predictivo.

De esta manera era lógico que surgieran diversas escuelas tales como los animistas, los mecanicistas y otras, entre las que destacaban las que sostenían que el magnetismo se debía a emanaciones o "efluvios". De hecho, uno de los pasajes sobre el magnetismo más extenso que se encuentra en la literatura grecorromana es el de Lucrecio Caro, que en el sexto libro de De Rerum Natura (55a.C.) un vasto poema épico, describe las maravillas del imán con base en las teorías de Epicuro y Demócrito.

Puesto que éstos eran los fundadores de la teoría atómica, era de esperarse que el magnetismo se atribuyera a que el imán exhala partículas que penetran a través de los poros del hierro y que, al crearse el vacío, hacen que el hierro se sienta atraído al imán. Lucrecio consigue además dar una explicación ingeniosa de por qué al poner un objeto de bronce entre el hierro y el imán ocurre una repulsión. Por supuesto, las "explicaciones" de Lucrecio no son tales a la luz de la ciencia actual. Sin embargo, demuestran el poder especulativo de un mundo precientífico y están sorprendentemente libres de supersticiones tan en boga entonces (¡y ahora!).

El uso de la "piedra magnética" como brújula se adscribe a los chinos. De acuerdo con ciertas leyendas, Hoang-ti, personaje mítico, construyó una "carroza del sur" (véasefigura.1)

Se dice que los chinos utilizaban una especie de brújula en el siglo XII a.C., pero hasta el final del siglo XII d. C. no se tiene una clara referencia a un compás marítimo.

Figura 1. La leyenda dice que Hoang-ti , fundador del Imperio chino, perseguía con sus tropas a un príncipe rebelde y se perdió en la niebla. Para orientarse construyó esta brújula en la cual la figura de una mujer siempre apuntaba al sur. Así atrapó a los rebeldes.

Figura 2. La atracción magnética se concentra en los extremos del imán.

Para ese entonces los europeos habían ya desarrollado una brújula, pues ya en 1200 d.C., Neckam of St. Albans muestra agujas pivotadas que marcan la ruta en su libro De Utensilibus. Aproximadamente en la misma época, Guyot de Provoins, un trovador de la corte de Barbarroja, se refiere en la llamada Bible Guyot al empleo de una piedra que se utiliza para tocar a una aguja (véase figura 2). Ésta se montaba sobre una paja que flotaba y podía girar libremente. El uso de esta brújula de flotación era ya común en el siglo XIII d. C.

El primer tratado europeo importante sobre el magnetismo se debe a Pedro Peregrino de Maricourt, quien el "8 de agosto del año del Señor 1269" escribió su celebrada Epístola a Sygerius de Foucaucort, soldado. Éste es el primer informe científico (en el sentido moderno de la palabra) del que poseemos noticias. La carta es notable, ya que el relato de los experimentos es lúcido y sucinto. Peregrino distingue claramente los polos de un imán permanente; observa que el norte y el sur se atraen y que polos iguales, norte por ejemplo, se repelen (véase figura 3); describe cómo, si se fragmenta un imán, se crean otros polos, y discute sobre la aguja pivotada. Asevera además que es de los polos magnéticos de la Tierra de donde los polos del imán reciben su virtud.

Figura 3. Polos opuestos se atraen y polos iguales se repelen.

Después de Peregrino, varios estudiosos como Baptista Porta o Thomas Browne realizaron experimentos que, aunque alejados de la física moderna, coadyuvaron a depurar de supercherías los conocimientos que poco a poco se iban acumulando sobre los fenómenos magnéticos. Entre éstos sobresale la variación de la declinación de la brújula con la latitud y la inclinación de la aguja imantada, la cual fue observada por Hartmann von Nürnberg en 1544 y descrita por Robert Norman, un fabricante de agujas para brújula.

LA REVOLUCIÓN CIENTÍFICA EN EL MAGNETISMO

Lo que podríamos llamar la etapa precientífica del magnetismo termina y culmina con la aparición de la imponente figura de William Gilbert de Colchester (1544-1603), quien fue el verdadero fundador de la ciencia del magnetismo. Su Magnete Magnetiasque Corporibus et de Magno Magnete Tellure Physiologia Nova, usualmente y por fortuna conocido como De Magnete, fue publicado en 1600 y puede considerarse como uno de los trabajos claves de la revolución científica que se llevaba a cabo por esas épocas. Gilbert estudió en Cambridge y, después de viajar por el continente, practicó como médico en la corte de la reina Isabel I.

Gilbert fue de los primeros "filósofos naturales" que hizo hincapié en el método experimental y que lo utilizó para ahondar en el conocimiento del magnetismo. En los seis libros de que consta De Magnete, Gilbert describe múltiples fenómenos, entre los cuales destaca el cómo la atracción entre el hierro y la magnetita imantada puede ser aumentada "armando" la magnetita, esto es, poniendo casquetes de hierro en las juntas de la piedra, tal y como se muestra en la figura 4. Esto hace que el peso que puede ser levantado aumente en un factor de cinco. Observó además que la atracción se concentra en los extremos de la magnetita. Así, Gilbert detalla cómo se pueden hacer imanes por medio de tres métodos: tocando objetos imantados; por deformación plástica; y fabricando barras de hierro, calentándolas y dejándolas enfriar. De hecho, estos métodos fueron los que se usaron hasta 1820. Observó también que el calor destruye el magnetismo.

Figura 4. Imanes permanentes y círculo inclinado como se presentan en De Magnete de Gilbert.

Como puede colegirse de la anterior exposición, Gilbert era un gran experimentalista poco afecto a la especulación. Sin embargo,

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